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Les sources non renouvelables
Elles se présentent sous forme d’hydrocarbures (pétrole, gaz naturel et charbon) issues de la transformation de débris de matières végétales et organiques. Ces sources sont souvent nommées sous le terme « d’énergies fossiles », faisant référence à leur localisation sous-terraine et leur âge de quelques centaines de millions d’années. Présentes dans le sol sous forme de réserves et nécessitant un temps de régénération très long, elles sont donc épuisables.
Leurs réserves sont estimées en 2019 à 49,9 années pour le pétrole, 49,8 années pour le gaz naturel et 132 années pour le charbon. (13)
L’uranium, quant à lui, est d’origine minière. Il est qualifié d’énergie « fissile » car l’énergie nucléaire produite résulte de la fission d’atomes d’uranium. Il s’inclut dans la famille des sources d’énergie non renouvelables car ses réserves sont également limitées, estimées aujourd’hui à 200 ans. (10)
Les sources renouvelables
Contrairement aux énergies fossiles, ces sources ont une capacité de reconstitution conséquente. Elles sont au nombre de cinq : le soleil, le vent, l’eau, la biomasse et la géothermie.
Les impacts environnementaux des sources d’énergie non renouvelables
L’Homme n’a pas toujours su faire bon usage de ces sources d’énergie et plus particulièrement les non renouvelables.
En effet, c’est à l’ère de la première révolution industrielle, au XVIIIème siècle, que les premiers impacts environnementaux sont en réalité apparus. Présent en grande quantité et avec un meilleur rendement, le charbon prend le pas sur l’usage du bois. Le choix des sources d’énergie non renouvelables est fait. Une quantité d’innovations voit ainsi le jour depuis son utilisation et apporte du confort. L’industrie et le commerce s’instillent peu à peu dans la société et commencent à manifester insidieusement les prémices de leurs néfastes effets.
Vint ensuite le XIXème siècle qui donna le coup d’envoi de l’industrialisation du pétrole et de l’électricité. Désormais, rien ne peut arrêter cette ruée vers les sources d’énergie non renouvelables. Leur utilisation massive devient monnaie courante et pourquoi stopper ce qui améliore le quotidien ?
Cependant, au cours du XXème siècle, le monde a vu sa population augmenter et se multiplier par quatre, notamment par le phénomène du « Baby Boom » observé pendant les Trente Glorieuses. Nous étions en l’an 1900, 1,6 milliard d’êtres humains contre 6 milliards en l’an 2000 (14). En 2020, ce nombre est porté à 7,8 milliards (15). Ainsi, il est aisément compréhensible que cet accroissement de la population fît apparaître un besoin croissant en énergie pour permettre à l’Homme de continuer d’exercer ses activités ; c’est à dire se chauffer, se déplacer et utiliser divers appareils nécessitant de l’énergie.
L’utilisation, dès lors qu’elle devient excessive, engendre inévitablement des conséquences. L’usage, aujourd’hui irraisonné, de ces sources sont à l’origine des nombreux phénomènes environnementaux dont est victime notre planète. Deux de ces impacts environnementaux seront présentés ici : les émissions de dioxyde de carbone et les déchets radioactifs. Le lien unissant l’environnement et l’énergie est dorénavant plus que palpable.
Émissions de dioxyde de carbone
Les années défilent et les émissions de CO2 sont en constante évolution (Figure 3, (16)). Effectivement, pour satisfaire ses besoins, l’Homme a jeté très tôt son dévolu sur les hydrocarbures, autrefois présents en quantité abondante, au rendement et au prix avantageux. Pour être utilisés, le charbon, le gaz et le pétrole nécessitent le passage par le phénomène de combustion. Ce dernier est à l’origine de la production du CO2, faisant partie de la famille des Gaz à Effet de Serre.
Il peut être noté que ce gaz est nécessaire à la vie humaine car il permet la régulation de la température terrestre en agissant telle une serre, d’où son nom. Cependant, tout ceci est une question d’équilibre qui lorsqu’il est rompu devient préjudiciable. Comme évoqué précédemment, ces sources d’énergie ont été fortement sollicitées au cours de l’Histoire et sont aujourd’hui à l’origine d’un effet de serre additionnel majoritairement dû au CO2. (17)
Ces émissions conséquentes dues à l’utilisation des énergies fossiles mais aussi à la déforestation dérèglent le cycle naturel du carbone, à l’origine du réchauffement climatique. L’épaisse couche de CO2 présente à la surface de la Terre empêche la réflexion des rayons solaires vers l’espace générant l’augmentation de la température sur Terre. Cette dernière est à l’origine de la fonte des glaces, de l’augmentation du niveau de la mer et donc des catastrophes naturelles.
Déchets radioactifs
Il est maintenant temps d’aborder l’impact majeur de la quatrième source d’énergie non renouvelable, l’uranium. Contrairement, aux trois sources d’énergie précédentes, ce dernier n’émet qu’une très faible quantité de CO2. Malheureusement, cela n’en fait pas pour autant une énergie verte car il est à l’origine d’une autre problématique, les déchets nucléaires.
En France, ces déchets sont gérés par l’ANDRA. Ils sont triés, traités, conditionnés, entreposés et stockés en tenant compte de leur catégorie (Figure 4, (18)).
La gestion de ces déchets est primordiale car en cas de rejets accidentels de substances radioactives, le retentissement sur la santé humaine et l’environnement est immédiat. L’air se trouve, de ce fait, contaminé, exposant la population aux rayonnements. Viennent ensuite les retombées radioactives qui affectent l’environnement, les végétaux par exemple. (19)
1972, l’année de la prise de conscience
L’année 1972 restera une date clé concernant la prise de conscience des impacts des activités humaines sur l’environnement. La publication du rapport Meadows ainsi que la conférence des Nations Unies de Stockholm en auront été les initiateurs. La raréfaction des ressources en matières premières est mise en évidence et rétablit la vérité cachée des Trente Glorieuses. La notion d’écologie faisait alors son entrée sur la scène internationale.
Cette conférence fut à l’origine du Programme des Nations Unies pour l’Environnement. Ce dernier, de dimension mondiale, seconde encore aujourd’hui, l’ensemble des pays membres dans la coordination de leurs activités en matière d’environnement mais aussi dans l’établissement de politiques environnementales (20). Ceci démontre que la protection de l’environnement fait maintenant partie intégrante de nos objectifs et de nos préoccupations.
Cette année sera suivi du choc pétrolier de 1973 qui continuera de mettre en lumière le phénomène d’épuisement des ressources naturelles et la nécessité de changer les comportements. L’environnement et ses sources d’énergie formaient autrefois un parfait équilibre permettant de subvenir convenablement à nos besoins. C’était sans compter sur les différents événements historiques qui ont entraîné les hommes vers le chemin de la surconsommation et la dégradation de l’environnement.
En 1987, la notion de développement durable naquit. Définitivement adopté lors du Sommet de la Terre de Rio en juin 1992, il se définit comme « un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs » (21). Cette définition souligne le manque de considération que chacun a pu porter, au fil du temps, envers son prochain et qui va jusqu’à potentiellement compromettre son avenir. Le développement durable permet désormais de s’intéresser à la restauration et la préservation de notre environnement. Pour ce faire, il repose sur 3 grands piliers que sont : la qualité de l’environnement, l’équité sociale et l’efficacité économique (Figure 5, (22)).
Les consommations d’énergie dans le monde et en France
Malgré la prise de conscience de ces impacts environnementaux, le changement des comportements s’opère très lentement. Le choix des sources d’énergie non renouvelables est toujours privilégié car ancré dans nos habitudes de vie. Les résultats obtenus aux échelles mondiale et française en sont les témoins. Seront présentés les chiffres de l’année 2019, plus représentatifs de nos consommations énergétiques habituelles, l’année 2020 ayant été marquée par la crise sanitaire liée à la COVID-19.
Le mix énergétique
A l’échelle mondiale
Le mix énergétique mondial, représentant la répartition des différentes sources d’énergies primaires, obtenu en 2019 est révélateur de la situation actuelle (Figure 6, (23)). Le pétrole figure comme chef de file (33,1%) suivi du charbon (27%) et du gaz naturel (24,2%) (23). Les sources d’énergie non renouvelables ont encore le vent en poupe, constituant plus des trois quarts de la consommation mondiale.
L’analyse établie par continent (Figure 7, (13)) ne fait que soutenir le propos précédent.
Le Moyen-Orient ne laisse qu’une infime place aux sources d’énergie renouvelables (0,2%). Les sources majeures utilisées sont, bien évidemment, les hydrocarbures qui représentent l’utilisation de 98,8% d’énergies fossiles.
La consommation énergétique des autres continents est également majoritairement allouée aux sources d’énergie non renouvelables. Il peut être toutefois souligné l’orientation accrue de l’Amérique Latine et de l’Europe vers les sources d’énergie renouvelables, représentant respectivement 9,5 % et 9,8% de leur mix énergétique. (23)
L’année 2020, fait apparaître des résultats sensiblement identiques avec en revanche une diminution de 9,4% concernant la consommation de pétrole (Figure 8) (24). L’utilisation de véhicules s’est vue réduite en raison des multiples confinements.
En France
Il est maintenant temps de s’intéresser au mix énergétique français (Figure 9, (25)).
Les trois premières sources d’énergie consommées dans notre pays sont l’uranium, le pétrole et le gaz naturel. Le charbon a, au fur et à mesure des années, laissé sa place à l’énergie nucléaire. Les consommations énergétiques de la France sont majoritairement représentées par les sources d’énergies non renouvelables (25). Les 11,6% cependant attribués aux sources d’énergie renouvelables appuient notre effort de les intégrer dans notre mode de consommation.
Consommation finale énergétique par secteur
Il est important de rappeler que ces sources d’énergie primaire sont transformées dans le but de produire de l’énergie dite secondaire comme l’électricité, le gaz ou encore les carburants, essentiels à nos activités. Les sources d’énergie primaire sont donc utilisées dans divers secteurs que sont l’industrie, le tertiaire, l’agriculture, l’habitat ou encore le transport.
A l’échelle mondiale
Au niveau mondial en 2018, le transport est le secteur le plus consommateur avec 2 890 900 ktep. Ce dernier est suivi par le secteur industriel (2 839 313 ktep) et le secteur résidentiel (2 109 205 ktep) (Figure 10) (26). Ces trois activités demeurent dominantes depuis les années 1990.
En France
En France, les consommations énergétiques sont quant à elles dominées par le secteur Résidentiel-Tertiaire avec 46% suivi du transport (32%), de l’industrie (19%) et de l’agriculture (3%) (Figure 11) (25). Pareillement à la situation mondiale, ces trois domaines sont les plus consommateurs.
Les consommations d’énergie du secteur industriel français
Comme évoqué précédemment, l’industrie est le troisième secteur le plus consommateur d’énergie en France. Mais que consomme-t-il et quelles sont les familles industrielles à l’origine de cette importante consommation ?
Le mix énergétique industriel
Le mix énergétique industriel français est majoritairement représenté par l’électricité et le gaz reflétant environ 70% de la consommation énergétique totale (Figure 12) (27). Ceci permet de compléter la figure 9 et atteste que l’électricité d’origine nucléaire occupe une place prépondérante dans notre société. La production d’énergie nucléaire s’élève, en effet, à 70,9% pour l’année 2020. (10)
Consommation d’énergie par famille industrielle
Il est maintenant temps de s’intéresser plus précisément aux consommations énergétiques de nos grandes familles industrielles. En 2019, il apparaît très nettement que la famille industrielle la plus énergivore est celle de l’industrie chimique et pharmaceutique (Figure 13). La consommation d’énergie brute de cette dernière est d’une valeur de 31%. (27)
Une industrie pharmaceutique énergivore ?
Salles propres, cible d’économies d’énergie
Retrouvées dans différents domaines industriels comme l’agroalimentaire, la pharmacie, ou encore le spatial, les salles propres ont comme principaux objectifs de se protéger de la contamination extérieure mais aussi de préserver ses conditions d’ambiance. Ces salles sont majoritairement associées au secteur pharmaceutique (Figure 14, (28)).
La définition d’une salle propre, mentionnée par la norme ISO 14644-1, est la suivante « Salle dans laquelle la concentration des particules en suspension dans l’air est maîtrisée et qui est construite et utilisée de façon à minimiser l’introduction, la production et la rétention de particules à l’intérieur de la pièce, et dans laquelle d’autres paramètres pertinents tels que la température, l’humidité et la pression sont maîtrisés comme il convient. » (29)
L’ensemble de ces secteurs est soumis à des normes et des réglementations très strictes concernant ces salles leur permettant de garantir la qualité, l’hygiène et la sécurité du personnel, des activités et des produits. Cependant, il y a un prix à payer, celui de la facture énergétique. Effectivement, comme le laisse suggérer la définition, des paramètres précis sont à respecter ce qui nécessite de consommer de l’énergie. Il a été identifié que les systèmes de ventilation/traitement de l’air et de circulation de l’eau en sont les premiers responsables (30). L’électricité, nécessaire au fonctionnement de ces derniers, est donc à l’origine du coût élevé de cette facture. Ceci montre la cohérence avec la figure 12. De plus, le prix de cette énergie est en constante hausse.
L’industrie pharmaceutique possédant, en termes de répartition, 56% des salles propres en France est très consommatrice d’énergie notamment électrique et illustre le propos de la figure 13.
Le traitement de l’air et l’efficacité énergétique
Comme mentionné précédemment, la qualité de l’air est primordiale dans une salle propre. Pour cela, le traitement de l’air passe par l’utilisation de ce que l’on appelle des Centrales de Traitement d’Air. Il s’agit d’installations ayant pour vocation de traiter l’air neuf (correspondant à l’air extérieur) en un air de qualité conforme aux spécifications imposées par la réglementation. En industrie pharmaceutique, ces dernières figurent notamment dans les Bonnes Pratiques de Fabrication (Cf II.2.1. Définition), les normes ISO 14 644 et ISO 14 698. La centrale impose à l’air neuf des conditions de pression, de température, d’hygrométrie et d’empoussièrement, tel que mentionné dans la définition donnée par la norme ISO 14644-1, garantissant la classification requise de la salle propre.
Ces équipements sont particulièrement enclin à une grande consommation énergétique, de par les paramètres qui lui sont imposés, pouvant représenter jusqu’à 70% de la consommation d’un site de production pharmaceutique (30). Une récente étude britannique mentionne que la majorité des consommations, au sein d’une industrie de fabrication, peut être attribuée à la fois aux procédés mais également au système de traitement de l’air c’est à dire les CTA (31).
La quantité d’énergie électrique à fournir pour leur fonctionnement est conséquente. Il est à noter que la production d’électricité est responsable à 41% des émissions de CO2 en France en 2018 (32) insistant sur l’importance de réduire l’utilisation de cette énergie. Cela diminuera également la génération de déchets radioactifs.
Ceci permet d’introduire la notion d’efficacité énergétique. Celle-ci peut se définir comme « un ensemble de solutions techniques et/ou logistiques permettant de réduire la consommation énergétique d’un système pour un service rendu identique voire supérieur » (33). Elle est à la confluence de différents concepts, largement évoqués dans l’actualité, que sont la transition énergétique, la transition écologique ou encore l’empreinte carbone. L’efficacité énergétique incite à réduire sa consommation d’énergie et ses coûts via un processus d’optimisation.
Contrairement aux idées reçues, les économies d’énergie en industrie pharmaceutique sont possibles. Conscients de leur rôle à jouer dans la réduction des impacts environnementaux, les industriels manifestent la volonté d’agir. Différents moyens existent aujourd’hui pour agir efficacement et être plus respectueux de l’environnement comme la réalisation d’un audit énergétique ou un bilan carbone par exemple.
La possibilité d’optimiser le système de traitement de l’air est au cœur des préoccupations des professionnels de l’industrie pharmaceutique. Elle apparaît comme nécessaire au vu des propos précédents et permettrait de faire entrer le secteur pharmaceutique dans la démarche d’efficacité énergétique et devenir par conséquent une industrie plus verte.
Les fonctions d’une Zone à Atmosphère Contrôlée et d’une Centrale de Traitement d’Air
Mise en contexte
Préalablement à l’exposition du projet d’optimisation du système de traitement de l’air, il est essentiel de présenter brièvement l’entreprise en ayant fait l’objet et d’aborder quelques notions permettant de faciliter la compréhension de cet écrit.
Créée en 2016 par l’AFM-Téléthon et la BPI France, YposKesi, « la promesse » en grec, est une industrie pharmaceutique française implantée à Corbeil-Essonnes au cœur du parc d’activité du Génopole. Le domaine thérapeutique dans lequel elle évolue est la thérapie génique des maladies rares.
Les produits sont des vecteurs viraux, de deux natures différentes, les vecteurs adéno-associés et les vecteurs lentiviraux. Ils se présentent sous forme injectable et sont fabriqués dans un environnement aseptique nécessitant des locaux confinés de niveau L2 exigibles lors de la manipulation d’OGM de type II.
L’ensemble des paragraphes exposés concernant les ZAC et les CTA se réfèreront à ce qui est applicable chez YposKesi.
La Zone à Atmosphère Contrôlée
Définition
La maîtrise de la contamination particulaire et microbiologique dans un environnement donné est la raison d’être d’une ZAC, encore appelée « salle propre ». Le niveau de contamination doit être adapté à l’activité pharmaceutique qui s’y déroule. Les zones peuvent être classées selon 4 niveaux : A, B, C et D. La classe A représente le niveau où le risque produit est le plus élevé et les spécifications plus strictes. Lorsque le produit présente une exposition et une sensibilité aux contaminations accrues, les exigences particulaires et microbiologiques seront d’autant plus importantes (Tableaux 1 et 2, (34)).
En effet, il est important de maîtriser la contamination particulaire. Les microorganismes étant véhiculés au moyen de particules en suspension dans l’air, la contamination microbiologique est, par conséquent, directement liée à la contamination particulaire.
Maîtriser la température et l’humidité sont également deux facteurs importants qui influent également sur les deux types de contaminations.
Différents moyens sont déployés afin de garantir la maîtrise de la contamination. Seront évoquées ici les mesures visant à minimiser l’introduction et la rétention de particules.
Minimiser l’introduction et la rétention de particules
La classification et le confinement des zones
La classification d’une zone se fait à travers la mise en place du système de surpression (Figure 15, (35)). Ceci évite l’entrée de la contamination via l’air provenant de l’extérieur et protège le produit. Les flux d’air se dirigent de la zone la « plus propre » (+++ sur le schéma) vers la zone la « moins propre » (0 sur le schéma), soit de l’intérieur vers l’extérieur. C’est ce que l’on appelle des locaux classés.
Le confinement d’une zone se fait à travers la mise en place du système de dépression. Il permet de protéger le personnel situé en dehors de la zone de manipulation et préserver l’environnement extérieur de l’exposition à des contaminants pathogènes ou toxiques (OGM dans ce cas). Les flux d’air, à l’inverse de la surpression, se dirigent de l’extérieur vers l’intérieur. C’est ce que l’on appelle des locaux confinés.
Il existe différents niveaux de confinement (Tableau 3, (36)) qui dépendent de la classification des agents biologiques pathogènes humains (bactéries, virus, parasites, champignons) manipulés. Cette classification est divisée en 4 groupes, le groupe 4 représentant les agents biologiques les plus dangereux.
Pour obtenir l’un et/ou l’autre de ces systèmes (surpression ou dépression), il s’agit d’appliquer des valeurs de pressions différentes et ainsi mettre en place des cascades de pressions. Comme précisé dans la partie IV des BPF aux points 4.62 et 4.63 (34) :
-! « Les écarts de pression entre pièces adjacentes relevant de classes différentes doivent être entre 10 à 15 pascals (valeurs guides) ».
-! « Les zones à pression négative doivent être entourées par une zone propre de pression positive de classe appropriée ».
Chez YposKesi, la surpression et la dépression sont appliquées, les locaux sont ainsi classés et confinés (Figure 16, (37)). Le personnel, le produit et l’environnement extérieur sont tous trois protégés.
La zone Vecteur n°4 peut être prise pour exemple et schématisée (Figure 17). La contamination est ainsi contenue dans la zone et dans le couloir de circulation. La surpression joue le rôle de barrière de pression et la dépression le rôle de puits de pression.
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Table des matières
Introduction
I. Vers une industrie pharmaceutique verte
1. Environnement et énergie
1.1. L’environnement
1.2. L’énergie
1.3. Les sources d’énergie (9,10)
1.3.1. Les sources non renouvelables
1.3.2. Les sources renouvelables
1.4. Les impacts environnementaux des sources d’énergie non renouvelables
1.4.1. Émissions de dioxyde de carbone
1.4.2. Déchets radioactifs
1.5. 1972, l’année de la prise de conscience
2. Les consommations d’énergie dans le monde et en France
2.1. Le mix énergétique
2.1.1. A l’échelle mondiale
2.1.2. En France
2.2. Consommation finale énergétique par secteur
2.2.1. A l’échelle mondiale
2.2.2. En France
3. Les consommations d’énergie du secteur industriel français
3.1. Le mix énergétique industriel
3.2. Consommation d’énergie par famille industrielle
4. Une industrie pharmaceutique énergivore ?
4.1. Salles propres, cible d’économies d’énergie
4.2. Le traitement de l’air et l’efficacité énergétique
II. Les fonctions d’une Zone à Atmosphère Contrôlée et d’une Centrale de Traitement d’Air
1. Mise en contexte
2. La Zone à Atmosphère Contrôlée
2.1. Définition
2.2. Minimiser l’introduction et la rétention de particules
2.2.1. La classification et le confinement des zones
2.2.2. La filtration de l’air soufflé
2.2.3. L’épuration de l’air ambiant
2.2.4. Maîtrise de la température et de l’hygrométrie
3. La Centrale de Traitement d’Air
3.1. Les CTA du site
3.2. Paramètres de fonctionnement d’une CTA
3.2.1. La pression
3.2.2. Le débit
3.2.3. Les cascades de pression
3.2.4. Le Taux de Renouvellement Horaire
3.2.5. La perte de charge
3.3. Description de l’installation
3.3.1. Installation tout air neuf
3.3.2. Installation air recyclé
III. Optimisation du fonctionnement du système de traitement de l’air pour réduction des consommations d’énergie
1. Lancement du projet
2. La méthode DMAIC du LEAN – Six Sigma
3. Phase DÉFINIR
3.1. Le QQOQCCP
3.2. La charte projet
3.2.1. Les besoins du projet LEAN – Six Sigma
3.2.2. Challenges
3.2.3. Process LEAN – Six Sigma défini
3.2.4. Définition du projet LEAN – Six Sigma
3.3. Le SIPOC
3.4. Conclusion
4. Phases MESURER et ANALYSER
4.1. Réglementation pharmaceutique
4.2. État des lieux des CTA
4.3. Collecte de données énergétiques
4.3.1. Électricité
4.3.1.1. Diagrammes de Pareto de la consommation électrique
4.3.1.2. Relevés sur variateurs des CTA
4.3.1.3. Coût des CTA
4.3.1.4. Investigations de la Zone Vecteur n°3
4.3.1.5. Analyse des factures EDF
4.3.2. Eaux chaude/glacée et Vapeur pure
4.4. Conclusion
5. Phase INNOVER
5.1. Objectifs
5.2. Choix de la CTA Test
5.3. Modification des paramètres appliqués en zone et les gammes associées
5.3.1. Choix des paramètres appliqués en zone à modifier
5.3.2. Définition des gammes associées aux paramètres sélectionnés
5.4. Planification des essais sur la CTA Test
5.5. Protocole d’étude
5.6. Rapport d’étude
5.6.1. Déviations au protocole
5.6.2. Résultats et analyse
5.6.2.1. Définition des nouvelles consignes de pression de soufflage et d’extraction de la CTA lors du mode d’inoccupation et/ou d’inactivité
5.6.2.2. Évolution des valeurs de différentiels de pressions et des cascades de pressions appliquées en zone lors du mode d’inoccupation et/ou d’inactivité
5.6.2.3. Observation des alarmes sur l’EMS au cours des essais
5.6.2.4. Temps d’obtention du mode d’inactivité et de retour à l’état initial
5.6.2.5. Confirmation du retour à l’état initial de la CTA à l’issue des essais
5.6.2.6. Estimation des économies sur la consommation électrique
5.6.2.7. Autres économies réalisées
5.6.2.8. Faisabilité technique de mise en place du mode d’inoccupation et/ou d’inactivité
5.6.2.9. Impacts du mode d’inoccupation et/ou d’inactivité
5.6.2.10. Limites du projet
5.6.2.11. Nettoyage et contrôles environnementaux
5.6.2.12. Essais à venir et projection future
5.7. Benchmark
5.8. Conclusion du projet et Plans d’actions futur
Conclusion
Annexes
Bibliographie
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