Le génie des procédés, acteur du renouveau industriel français (Synthèse du Livre Blanc)

Préface

Association loi 1901, la Société Française de Génie des Procédés (SFGP) est un lieu d’échanges, de réflexion et d’innovation dans le domaine des Procédés Industriels. Forte de plusieurs centaines d’adhérents et fière de son congrès national bisanuuel, elle s’appuie sur un réseau d’experts académiques et industriels issus de secteurs économiques divers, chimie, pharmacie, agro-alimentaire, matériaux, énergie ou environnement. La SFGP s’engage pour relever les grands défis sociétaux – accès aux ressources, transition énergétique, développement économique responsable et emploi. Dans ce cadre, elle a pris l’initiative de réunir les Assises Nationales du Génie des Procédés en 2017. Cet événement a été l’occasion de réunir les acteurs majeurs des industries de procédé et de s’adresser aux décideurs de la Recherche et de l’Industrie. Les forces et faiblesses de la communauté scientifique ont été identifiées et des réalisations industrielles remarquables mises en avant. Surtout, nos Assises Nationales ont montré la place essentielle qu’occupe le Génie des Procédés dans la transformation de l’industrie française en une industrie forte et intégrée à son environnement.

Le Livre blanc se veut la synthèse de ces travaux prospectifs, traduits en une feuille de route à destination des décideurs politiques et grands acteurs industriels. Convaincue de l’importance déterminante du Génie des Procédés pour l’avenir de l’industrie en France, la SFGP se mobilise pour intensifier les moyens, favoriser les initiatives collaboratives et promouvoir les innovations. Un double enjeu : gagner en compétitivité et développer une industrie mieux acceptée dans la société.

François NICOL, Président de la SFGP

Introduction

Le génie des procédés est un levier essentiel pour répondre aux enjeux industriels et sociétaux de demain.

Chacun s’accorde sur le fait que notre pays doit redevenir un grand pays industriel, acteur des transformations économiques et sociétales. Aussi devons nous lutter contre la désindustrialisation et repenser le tissu industriel afin d’améliorer l’emploi et réduire notre dépendance vis-à-vis de l’étranger. La France en a les moyens, étant donné la qualité de sa recherche scientifique, de ses filières de formation et de sa capacité d’innovation. Ce qui lui manque ? Une évolution de ses méthodes de recherche et développement, pour rendre ses entreprises plus compétitives. Dans ce contexte de réindustrialisation, le génie des procédés est l’un des leviers essentiels de cette évolution.

Science de l’ingénieur, le génie des procédés propose des solutions contribuant au développement de nouveaux produits et technologies, à une meilleure gestion des ressources (matières premières, eau, énergie) et à une réduction des effluents. Il apporte une réponse pertinente aux enjeux industriels et sociétaux dans des domaines aussi variés que l’alimentation- nutrition, la chimie, l’eau-environnement, l’énergie, la santé, le développement durable des villes et des territoires… Profitant de la dynamique initiée par la Stratégie Nationale de la Recherche et le programme d’Investissements d’Avenir, la Société Française de Génie des Procédés (SFGP) a organisé en 2016-2017 les Assises du Génie des Procédés. Ces rencontres, conduites sous le haut patronage du ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche et du ministère en charge de l’Industrie, visent faire découvrir aux industriels l’apport du génie des procédés dans leur activité.

Les assises nationales se sont tenues à Paris en mars 2017, en présence de représentants du monde académique, de l’industrie, du ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche et du ministère de l’Économie et des Finances, ainsi que de l’Office parlementaire d’Évaluation des choix scientifiques et technologiques.

De ces réflexions est né un Livre blanc, dont le présent document constitue une synthèse. Il a pour ambition d’illustrer la contribution essentielle du génie des procédés au renouveau industriel du pays dans le cadre de la Nouvelle France Industrielle.

Qu’est-ce que le génie des procédés ?

Le génie des procédés est une science de l’ingénieur qui étudie la transformation de la matière pour fabriquer des produits en optimisant les ressources en matières premières et en énergie.

Le génie des procédés s’intéresse à des objets réels et complexes, aussi bien par leur géométrie, leur structure, leur évolution dans le temps (réactions, échanges de chaleur et de matière…) ou encore leur comportement (déformation, transformation de la matière…).

Enjeux et domaines d’application

Les enjeux du génie des procédés sont à la fois industriels et sociétaux : il s’agit de tendre vers une industrie plus propre, une société zéro déchet et une économie durable. Il propose des solutions techniques répondant aux contraintes suivantes : robustesse, flexibilité des procédés de transformation, viabilité économique, maîtrise de la sécurité et des impacts environnementaux, sobriété énergétique.

Les spécialistes du génie des procédés exercent à la fois dans les domaines de la recherche et du développement. On les retrouve également en bureaux d’études, en production, gestion des équipements et dans les activités technico-économiques.

Les domaines d’application du génie des procédés sont nombreux : environnement, agroalimentaire, biotechnologie, pharmacie-santé, chimie, matériaux, énergie, nucléaire, pétrole, industrie textile, automobile, aéronautique ou encore exploration spatiale. Ce large champ d’investigation et les approches systémiques développées en génie des procédés lui permettent de contribuer à 8 des 10 défis inscrits dans la Stratégie Nationale de la Recherche (SNR) de 2017.

Le génie des procédés est une science intégrative.

Tout en développant ses propres concepts, il se nourrit d’autres disciplines scientifiques (chimie, biologie, physique, thermodynamique, mathématiques appliquées, mécanique des solides et des fluides, sociologie des organisations, économie et gestion des entreprises…). Cette vision globale lui permet d’appréhender l’ensemble des étapes de la transformation en vue de concevoir, d’étudier, de conduire et d’optimiser des équipements et des procédés complexes, pour aboutir à un produit fonctionnel de qualité maîtrisée.

Le génie des procédés se nourrit, tout en développant ses propres concepts, d’autres disciplines scientifiques pour appréhender les phénomènes de façon globale.

Le Génie des Procédés couvre un vaste domaine dimensionnel allant des nano et micro-échelles (impliquant des approches très fondamentales de la physique, chimie quantique ou génomique) vers les grands systèmes (équipements, procédé, usine, territoire). Le génie des procédés réunit dans une même démarche scientifique deux approches complémentaires :

• L’analyse fine des phénomènes élémentaires (approche locale). Cette première phase consiste à décrire la nature complexe des phénomènes par des lois et principes fondamentaux, à les modéliser et à les maîtriser.

• Leur intégration à l’échelle d’un processus ou d’un procédé (approche systémique). Cette seconde phase consiste à assembler et à décrire les interactions entre les phénomènes élémentaires de façon à considérer l’ensemble plutôt que les parties.

Sa capacité à intégrer plusieurs disciplines autour d’un même corpus de modélisation lui confère toute sa puissance applicative dans de nombreux domaines.

Le génie des procédés, acteur de la nouvelle France industrielle

Le génie des procédés contribue à la solution industrielle « Nouvelles ressources ».

Transformer le modèle industriel

Réussir la réindustrialisation de la France : c’est l’ambition de la Nouvelle France Industrielle (NFI) et du projet Industrie du futur qui la prolonge. L’objectif est d’amener chaque entreprise à moderniser son outil industriel et à transformer son modèle. Cette ambition repose sur 9 solutions industrielles proposant des réponses concrètes aux grands défis économiques et sociétaux rencontrés par les entreprises françaises. Le génie des procédés contribue directement à cette dynamique, et plus particulièrement à la solution industrielle Nouvelles ressources, à travers ses apports sur les énergies renouvelables, la qualité de l’eau et de l’air, la chimie verte, les molécules biosourcées, les biocarburants et de manière générale à la bioéconomie.

Au coeur de l’usine du futur

L’apport du Génie des Procédés à l’« usine du futur » repose sur trois concepts clefs :

• Un fonctionnement interconnecté des équipements et des flux d’énergie et de produits en cours d’élaboration circulant dans l’usine ;

• Une flexibilité/modularité accrue des procédés pour permettre une adaptation aux fluctuations des nouvelles matières premières et des marchés ainsi qu’une personnalisation en masse des produits ;

• Le développement d’outils d’aide à la décision pour la conception de nouveaux couples produits-procédés.

Un changement de mentalité et de culture

Plusieurs tendances concourent à cette évolution :

• La numérisation et la digitalisation de la société industrielle (internet des objets, réalité virtuelle, données massives),

• La réindustrialisation s’appuyant sur les spécificités des territoires,

• La « reconfigurabilité » des unités de production et la question sous-jacente de gros sites de production centralisés (par opposition à de petits sites délocalisés facilement reconfigurables), et proche des marchés.

• L’adaptabilité des systèmes de production,

• Les économies et le partage de ressources,

• La nécessité d’une acceptabilité sociale.

Un changement de mentalité et de culture, soucieux de la gestion des ressources et du coût global pour la société est nécessaire.

Les thèmes sous-jacents concernent en particulier : l’analyse des flux de données en temps réel, les capteurs, le contrôle avancé des procédés, le traitement des données, la modélisation numérique des systèmes complexes, la simulation, la robotique avancée, la cobotique, la fabrication additive, les objets connectés, la réalité augmentée, l’interface homme-machine, les nouvelles organisations, la formation, le positionnement harmonieux dans le territoire, l’environnement, la santé, la sécurité, l’employabilité.

Une discipline indispensable pour accompagner les transformations.

Le génie des procédés est une discipline indispensable pour accompagner ces transformations. Il offre une méthodologie conduisant à des procédés plus efficients en favorisant la sobriété énergétique, l’émergence de nouveaux matériaux, l’utilisation de ressources renouvelables, le développement des biotechnologies, la valorisation des déchets et, d’une manière générale, l’économie circulaire.

Quelques réalisations remarquables

Dans divers domaines d’application, l’apport du génie des procédés à la production industrielle est indéniable.

Stimuler le renouveau industriel

Enjeu

Utilisé comme solvant d‘extraction dans l’industrie pharmaceutique, mais aussi dans l’industrie cosmétique et des parfums, ce produit sert également dans la fabrication d’encres pour les emballages alimentaires et dans la production de nombreuses résines synthétiques.

Défis

Réduire la consommation d’énergie en concevant de nouvelles méthodes ou technologies libérant les étapes limitantes de production (intensification des procédés)

Résultat

En partenariat avec IFP Energies nouvelles, la société Novapex a mis au point un nouveau procédé de production et ouvert une unité industrielle d’une capacité annuelle de plus de 5000 tonnes. Cette innovation a été récompensée en 2016 par le prix Pierre Potier, qui distingue les initiatives de l’industrie chimique en faveur du développement durable.

Un concept innovant alliant l’intensification des procédés à l’efficacité énergétique et environnementale.

Renouveler le bouquet énergétique

Enjeu

Produire de l’électricité à partir de biomasse

Défis

Concevoir un réacteur haute température pour le craquage des goudrons issus de la gazéification

Résultat

Grâce au partenariat avec le Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés (LaTEP, Université de Pau et des Pays de l’Adour), la PME Europlasma a pu concevoir un réacteur de capacité industrielle (volume de 60 m3), ainsi qu’un réacteur pilote dédié à la recherche et au développement.

Exploiter le potentiel des microalgues

Enjeu

Produire des biocarburants de troisième génération et des liants alternatifs aux produits pétroliers

Défis

• Maîtriser et optimiser la bioréaction photosynthétique

• Développer, optimiser et contrôler les procédés de production et de bioraffinage des microalgues

• Intégrer les opérations unitaires pour mettre en place une exploitation industrielle optimisée

Résultat

Avec le soutien du Laboratoire Génie des Procédés, Environnement et Agroalimentaire (GEPEA, CNRS/ Université de Nantes/IMTA/ONIRIS), création de la start-up AlgoSource et mise en place d’une plateforme de services (AlgoSolis) ouverte aux industriels et aux acteurs académiques.

Recycler les déchets aéronautiques

Enjeu

Recycler les matériaux composites à base de polymères renforcés de fibres de carbone, de plus en plus utilisés dans l’aéronautique

Défis

• Comprendre et maîtriser finement les procédés de décomposition et de production

• Concevoir une modélisation pouvant être adaptée à des conditions « non classiques » de fonctionnement (gravité réduite par exemple)

• Organiser la connaissance unitaire de chaque processus en un modèle global pour répondre à la demande de support vie d’un équipage

Résultat

Dans le cadre du projet MELiSSA1 de l’Agence Spatiale Européenne, l’Institut Pascal (Université Clermont Auvergne/CNRS/ SIGMA Clermont) a contribué à la démonstration d’une boucle complète en phase liquide à l’échelle pilote, évaluation lors de campagnes de 100 jours.

Les acteurs de la recherche en génie des procédés

La France compte environ 1 800 chercheurs en génie des procédés. (hors centres industriels et centres techniques)

Une communauté diversifiée

Le génie des procédés est présent dans les universités et écoles d’ingénieurs, mais également dans de nombreux établissements à caractère scientifique et technique (EPST) et à caractère industriel et commercial (EPIC). Les thématiques développées dans les laboratoires de génie des procédés participent à 8 des 10 défis de la Stratégie Nationale de la Recherche et à 19 des 41 orientations prioritaires. Le nombre de chercheurs en génie des procédés est assez difficile à estimer du fait de la multiplicité des centres de recherche et de l’interfaçage avec de nombreuses disciplines. L’estimation la plus raisonnable est aux alentours de 1 800 chercheurs, hors doctorants et post-doctorants. Cette estimation ne tient pas compte des chercheurs des centres industriels de R&D et des centres techniques. Les chercheurs, ingénieurs et techniciens de la recherche en génie des procédés appartiennent majoritairement aux institutions listées ci-dessous, qui unissent souvent leurs forces dans des laboratoires communs (Unité Mixte de Recherche, UMR).

Le Génie des Procédés dans les universités et écoles d’ingénieurs

Les enseignants-chercheurs en génie des procédés exercent dans les universités (principalement dans les IUT de chimie, génie biologique, génie chimique, génie thermique et énergie) et dans les écoles d’ingénieurs de chimie et de génie chimique. On compte environ 1 000 enseignants-chercheurs en Génie des Procédés dans l’enseignement supérieur. Ces établissements sont principalement sous la tutelle du Ministère de l’Enseignement Supérieur de la Recherche et de l’Innovation, mais aussi sous les tutelles d’autres ministères (ministère de l’agriculture et de l’alimentation, ministère en charge de l’économie et des finances).

Les enseignants-chercheurs en génie des procédés exercent dans les universités et les écoles d’ingénieurs.

Le Génie des Procédés dans les organismes publics de recherche (EPST, EPIC)

CNRS

Le génie des procédés est essentiellement développé dans l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS). Certaines équipes de l’Institut de Chimie (INC) et de l’Institut Écologie Environnement (INEE) développent également des activités dans le domaine du génie des procédés. Effectif de la communauté : 120 chercheurs*

Les chercheurs en génie des procédés sont impliqués dans le domaine de l’énergie nucléaire, en particulier le cycle du combustible et des énergies renouvelables (biomasse, solaire, batteries, hydrogène). Effectif de la communauté : 300 chercheurs*

IFP Énergies nouvelles (IFPEN)

Les chercheurs en génie des procédés sont pour l’essentiel localisés dans le centre de recherche de Lyon au sein des directions de recherche Conception modélisation procédés et Expérimentation procédés. La direction de recherche Chimie et Physico- chimie appliquées de Rueil-Malmaison héberge quant à elle des études en thermodynamique, en chimie et physico-chimie des fluides complexes et des matériaux et en électrochimie. Effectif de la communauté : 170 chercheurs*

INRA

Le génie des procédés est développé principalement dans le département « Caractérisation et Élaboration des Produits Issus de l’Agriculture (CEPIA) » et, de manière plus secondaire, dans les départements « Environnement et Agronomie (EA) » et « Microbiologie et Chaîne Alimentaire (MICA) ». Effectif de la communauté : 70 chercheurs*

INRS

L’INRS possède un département complet qui a pour missions de développer et diffuser des solutions techniques de prévention visant à réduire les risques d’exposition aux composés toxiques (aérosols, gaz, liquide, solide) en favorisant la prise en compte de ces risques lors de la conception des installations et des équipements de travail. L’INRS travaille sur la modification des procédés ou de leurs conditions opératoires, voire sur la substitution par d’autres procédés pour diminuer l’exposition des travailleurs aux risques chimiques. Effectif de la communauté : 45 chercheurs*

CIRAD

Les recherches en génie des procédés sont développées dans le département « Performances des systèmes de production et de transformation tropicaux (Persyst) ». Effectif de la communauté : 30 chercheurs*

INERIS

Les recherches en génie des procédés sont présentes dans la direction des Risques Accidentels. Leur travail concerne la maîtrise des risques associés aux procédés traditionnels et innovants. Effectif de la communauté : 30 chercheurs*

IRSTEA

Les chercheurs en génie des procédés sont rassemblés au sein du département « Ecotechnologies ». Les recherches portent sur deux axes directeurs : « assurer la sûreté alimentaire » et « valoriser les déchets et les effluents ». Effectif de la communauté : 25 chercheurs*

IFSTTAR

Les chercheurs en génie des procédés se trouvent dans le département « Géotechnique Environnement Risques Naturels Sciences de la Terre (GERS) » et le département « Matériaux et Structures (MAST) ». Effectif de la communauté : 10 chercheurs*

*chiffres approximatifs

Coopérations Internationales

À l’international, c’est avec les « departments of Chemical Engineering » que les formations et les laboratoires français de génie des procédés dialoguent et collaborent. Les relations internationales se sont fortement accrues ces 20 dernières années :

• au niveau de la formation (la plupart des établissements d’enseignement supérieur ont des accords avec les universités du monde entier, des stages à l’étranger sont obligatoires pour la plupart des écoles, le programme ERASMUS permet la circulation des étudiants en Europe…),

• au niveau de la recherche au travers des Groupements de Recherche Internationaux et des Laboratoires Internationaux Associés du CNRS, des programmes Européens, des programmes Hubert Curien, etc.

Les relations internationales entre acteurs du génie des procédés se sont accélérées au cours des deux dernières décennies.

Des enjeux et défis à relever par les chercheurs en génie des procédés

L’usine et les procédés du futur

L’usine et les procédés du futur, quelle que soit leur échelle, devront être innovants, compétitifs, performants, sûrs et attractifs. L’usine devra être créatrice de valeur et d’emplois, connectée avec ses collaborateurs, ses machines de production, ses prestataires, son territoire. L’usine sera conçue pour répondre aux défis économiques, technologiques, organisationnels, environnementaux et sociétaux.

Recommandations

• Comprendre et modéliser les mécanismes à toute échelle mis en jeu dans les procédés et leurs interactions avec les équipements, de manière à imaginer des procédés flexibles et robustes.

• Intensifier les collaborations avec les industriels, y compris les PME-PMI. Mettre en place des commissions de réflexion sous l’égide du ministère de l’industrie.

• Repenser les relations homme-machine au regard de l’autonomie des procédés.

Energie

Le développement de nouveaux vecteurs énergétiques, notamment le solaire concentré, les bioénergies (procédés thermochimiques et biologiques), les piles à combustible et les procédés liés à la production et l’utilisation de l’hydrogène est un axe important du Génie des Procédés. L’énergie est un produit de « masse » pour lequel le changement d’échelle est essentiel, ainsi que l’optimisation de l’ensemble des étapes allant de la ressource au vecteur énergétique. Ces aspects correspondent à des fondements du génie des procédés. L’utilisation des ressources énergétiques renouvelables a comme corollaire le problème du stockage, qui peut prendre plusieurs formes, comme la compression d’air, les matériaux à changement de phase et le stockage électrochimique. Le mixte énergétique doit être optimisé en fonction de l’usage (transport, bâtiments, usines, villes, territoires) et de la ressource (réseau électrique avec les différentes formes de production et réseau chaleur). L’optimisation doit d’autre part être faite en adaptant la demande à l’offre.

Recommandations

• Développer le génie des procédés au service de la transition énergétique, en interaction avec l’ensemble des forces scientifiques : Biologie, Chimie, Matériaux, Mécanique, Thermique.

Valorisation des déchets et économie circulaire

Dans un contexte de protection de l’environnement, la maintenance, la réparation, le recyclage et la réutilisation devrait devenir la règle. La création de circuits courts possibles et rentables permet aux entreprises de fabriquer à la demande avec une réactivité et une personnalisation accrues.

Recommandations

• Développer le génie des procédés au service de l’économie durable (recyclage, économie des matières premières, de l’énergie, de l’eau), s’intéresser à la fin de vie du produit et de la molécule (recyclage ou biodégradabilité) dès la conception.

• Développer une ingénierie globale, intégrant produits et co-produits (qui devient à son tour une ressource).

• Collaborer avec les Sciences Humaines et Sociales (SHS) pour aborder rationnellement l’acceptabilité des usines.

Ressources renouvelables et nouvelles ressources

Le génie des procédés doit répondre aux demandes d’une économie durable. Les industries de procédé vont substituer progressivement de nouvelles ressources aux matières premières d’origine fossile traditionnelles. Pour les secteurs de la chimie, de l’énergie et des matériaux, il s’agit de faire face à la raréfaction des ressources non renouvelables et de réduire les impacts environnementaux et l’empreinte carbone en particulier, en substituant biomasse et matériaux recyclés aux matières premières pétrolières. Cette transition vers une bioéconomie aura des conséquences importantes sur les procédés de fabrication et l’organisation des filières industrielles de production. Sécurisation des approvisionnements, formulation et transformation des intrants, gestion de la fin de vie et recyclage des produits devront être repensés de manière globale afin de développer de nouvelles chaînes de valeur économiquement viables et durables. L’adaptation des procédés existants ou le développement de nouveaux procédés demandera des efforts importants de R&D.

Recommandations

• Transférer les connaissances et méthodes du génie des procédés vers les procédés agricoles. Le génie des procédés devrait être également attentif aux techniques agronomiques (par exemple les productions hors-sol).

• Les travaux de recherche pourraient s’orienter vers l’adaptation des procédés à la ressource ou, à l’inverse, travailler à l’adaptation de la biomasse aux procédés (sélection variétale, itinéraires culturaux…). Compte tenu de la variabilité de la ressource dans le temps et/ou dans l’espace, les procédés à développer devront être relativement versatiles, avec des moyens de contrôle multiples.

• Modéliser les systèmes de production, de la ressource aux produits, en intégrant l’analyse du cycle de vie et les concepts de l’usine du futur. La bioraffinerie et l’économie circulaire sont partie intégrante de cette approche avec la bioéconomie. La répartition « équitable » entre les différents usages de la ressource doit faire partie de la modélisation avec une vision multi-échelle du territoire à la planète.

L’alimentation du futur

L’alimentation du futur est un véritable défi environnemental, un objectif humanitaire et une gageure scientifique. Il s’agit de satisfaire les besoins croissants qu’entraîne l’augmentation de la population mondiale en développant de nouvelles habitudes de consommation et des aliments alternatifs d’origine végétale, animale ou minérale. Les procédés de transformation nécessitent aussi d’être considérablement améliorés pour valoriser l’ensemble des produits tout en minimisant l’impact des traitements technologiques sur la biodisponibilité des biomolécules dans les produits finaux.

Recommandations

• Développer la capacité du génie des procédés à apporter des réponses technologiques multiples, en tenant compte de la variabilité de la ressource dans le temps et/ou dans l’espace.

• Développer le lien entre académiques, centres techniques, équipementiers, PMI-PME et grands groupes.

Source : le génie des procédés acteur du renouveau industriel français