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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 1 282 − 1 Optimisation des processus énergétiques : gestion optimale par Christian CHATELAIN Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers Ingénieur-Chercheur à la Direction des Études et Recherches de Électricité de France (EDF) Jean-Claude DUCROCQ Ingénieur Civil des Mines Ingénieur-Chercheur à la Direction des Études et Recherches de Électricité de France (EDF) Benoît MIGNARD Ingénieur Civil des Mines Ingénieur-Chercheur à la Direction des Études et Recherches de Électricité de France (EDF) et Michel COEYTAUX Ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures Chef de Produit SECI Manager et salles de contrôle de la société SERETE ’article Optimisation des processus énergétiques se compose de trois articles : — Concepts [B 1 280] ; — Applications [B 1 281] ; — Gestion optimale [B 1 282]. Largement mise en œuvre dans la plupart des procédés industriels, l’énergie est un bien précieux qu’il faut économiser, mais non sans comptabiliser parallèlement les investissements et les frais qui s’attachent aux opérations dont elle est l’objet. 1. Analyse des critères économiques ..................................................... B 1 282 - 2 1.1 Critères de choix d’un procédé................................................................... — 2 1.2 Optimisation d’un processus de fabrication ............................................. — 3 1.3 Problème des données................................................................................ — 8 2. Constitution et gestion optimisées des réseaux d’énergie dans les industries................................................................................... — 8 2.1 Principes de la modélisation....................................................................... — 9 2.2 Formulation mathématique........................................................................ — 10 2.3 Conclusion.................................................................................................... — 14 3. Optimisation des schémas de transferts d’énergie dans les procédés industriels................................................................................ — 16 3.1 Position du problème.................................................................................. — 16 3.2 Une méthode d’optimisation...................................................................... — 16 3.3 Exemple d’un procédé de la chimie........................................................... — 18 3.4 Conclusion.................................................................................................... — 18 4. Gestion de l’énergie en temps réel..................................................... — 19 4.1 Déﬁnitions .................................................................................................... — 19 4.2 Fonctions générales de gestion et leur hiérarchie.................................... — 20 4.3 Structure des systèmes de contrôle-commande ...................................... — 22 4.4 Logiciels........................................................................................................ — 23 4.5 Rentabilité d’une gestion optimale en temps réel.................................... — 23 4.6 Évolutions prévisibles ................................................................................. — 24 Références bibliographiques ......................................................................... — 24 L OPTIMISATION DES PROCESSUS ÉNERGÉTIQUES : GESTION OPTIMALE ___________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 1 282 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique Ainsi la gestion de l’énergie se présente-t-elle comme un problème d’optimisa- tion technico-économique qui se pose à différents niveaux : — dans le choix de l’équipement qui permettra d’assurer une même fonction globale de la façon la moins coûteuse ; — dans le mode d’exploitation le plus judicieux de cet équipement, souvent indissociable de son choix ; — dans le meilleur compromis performance-prix attaché à chaque appareil participant à la fonction ; — enfin, dans le contrôle instantané du fonctionnement de l’ensemble pour le maintenir en permanence au plus près de ses conditions optimales. Les spécialistes qui ont traité, en collaboration, ce vaste sujet l’ont découpé en quatre paragraphes : — analyse des critères économiques ; — constitution et gestion optimisées des réseaux d’énergie dans les industries ; — optimisation des schémas de transferts d’énergie dans les procédés industriels ; — gestion de l’énergie en temps réel ; où se trouvent approfondis les différents aspects que l’on vient d’évoquer. 1. Analyse des critères économiques Nota : le lecteur se reportera utilement à la rubrique Management de l’entreprise du traité L’entreprise industrielle, et en particulier à l’article Choix des investissements [A 4 450]. 1.1 Critères de choix d’un procédé Le comportement des entreprises est principalement axé sur le futur, puisqu’il concerne les projets d’investissements et les besoins de capitaux. La technologie offrant, presque toujours, une diversité de procédés pour une production donnée, un choix doit être fait entre ces différents procédés. La plupart des décisions qui en découlent nécessitent un arbitrage entre le présent et l’avenir. De deux projets, l’industriel choisira le plus rentable. Encore faut-il s’entendre sur ce terme ! Le coût économique repose sur deux facteurs : l’un est déﬁnitif, il s’agit de l’investissement et de son ﬁnancement pour lequel l’échelonnement des dépenses est bien connu ; l’autre, le coût d’exploitation, ne peut être qu’estimé selon les caractéristiques techniques probables et les conditions écono- miques extrapolées à partir de la situation actuelle. Le problème (rendre un procédé le plus économique possible) bute sur un premier obstacle : comment concilier coût d’investissement et coûts d’exploitation ? En effet, l’investissement est payé au tout début de la mise en place du procédé, tandis que les frais d’exploita- tion sont à débourser pendant toute la durée de vie de l’installation. Il faudrait même, en toute logique, intégrer, à ces coûts, les frais de déclassement et de remplacement. Le choix peut se faire par le calcul de la valeur actuelle (ou bilan actualisé) de chacun des projets caractérisés par l’investissement et par les dépenses et recettes prévisibles pour chaque année à venir. 1.1.1 Actualisation des coûts futurs Pour exprimer ces dépenses dans une même unité, il est néces- saire de disposer d’un indicateur global, le taux d’actualisation ; il mesure la rareté des ressources de ﬁnancement que la collectivité peut mettre à la disposition du secteur productif [1] : cela correspond au prix que le secteur productif est prêt à payer pour disposer de moyens de ﬁnancement supplémentaires et, réciproquement, au prix que la collectivité est prête à accepter pour renoncer à une satisfaction immédiate. La majorité des individus préfèrent disposer d’un bien immédiate- ment au lieu d’en disposer seulement dans un ou deux ans. Cette préférence n’est pas uniquement fondée sur l’incertitude de l’avenir ou sur l’inﬂation, mais aussi sur la croissance économique. D’une promesse ferme de recevoir 1 000 francs dans cinq ans, on peut préférer les recevoir tout de suite, aﬁn de faire travailler cet argent pour en tirer proﬁt. Plus la croissance est rapide, plus les besoins d’investissement sont grands, et plus le taux d’actualisation est élevé. Pour des raisons de simpliﬁcation, nous supposerons ce taux d’actualisation a constant dans le temps, et les coûts seront exprimés en francs de l’année 0. De plus, l’investissement est entièrement imputé sur cette première année, les coûts proportionnels commençant l’année 1. De ce fait, on a la relation d’équivalence suivante : 1.1.2 Valeur du taux d’actualisation à choisir I Si le décideur appartient à une entreprise privée, l’estimation de ce taux est, en général, subjectif. Dans le cas où le ﬁnancement se fait uniquement par un emprunt, le taux sera de l’ordre de : a = i (1 – b) + s avec b taux d’imposition des bénéﬁces industriels et commerciaux, i taux d’intérêt de l’emprunt, s taux de risque ou coefﬁcient de sécurité. Dans le cas où une part d’autoﬁnancement intervient, le calcul de ce taux d’actualisation est encore plus subjectif et arbitraire. 1 franc de l′année n 1 1 a + ( )n - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - franc de l′année 0 = __________________________________________________________________________ OPTIMISATION DES PROCESSUS ÉNERGÉTIQUES : GESTION OPTIMALE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 1 282 − 3 Entre deux projets dont l’un procure un bénéﬁce actualisé certain et l’autre le même bénéﬁce mais moins probable, l’entrepreneur préfère généralement le premier. Il existe deux possibilités de tenir compte de cela : — soit alourdir les projets aléatoires d’un montant de sécurité ; — soit augmenter le taux d’actualisation de ces projets (+ 5 à 20 %). I Si le décideur appartient à un service public, il n’a aucun choix : il prend le taux d’actualisation ﬁxé par le Commissariat au Plan à 9 %. En règle générale, ces bilans sont calculés en francs constants. Remarquons ici que francs constants ne veut pas dire prix constants. Des dérives de prix peuvent être incluses pour certains biens (l’énergie, par exemple). 1.1.3 Critère économique à utiliser I Le bilan actualisé B (ou bénéﬁce net actualisé), le discounted cashﬂow des Américains, est la différence entre la somme des recettes Rn et la somme des dépenses Dn pendant la durée de vie T de l’installation : (1) avec I investissement, VT valeur résiduelle de l’investissement. D’autres critères de choix existent, mais présentent des défauts, comme nous le verrons au paragraphe 1.2.2. I Le taux de rentabilité interne r est égal au taux d’actualisation qui annule le bénéﬁce actualisé. Une opération est rentable si son taux de rentabilité dépasse le taux d’actualisation. I Le temps de récupération est le temps nécessaire pour annuler le bilan précédent (en général non actualisé) : (2) Son usage revient à privilégier les investissements, c’est-à-dire récupérer la mise de fonds le plus rapidement possible. I Le temps de retour s’applique surtout à la comparaison de deux projets entre eux : (3) Les deuxième et troisième critères sont équivalents si les recettes R et les dépenses D sont invariantes au ﬁl des ans et si la valeur résiduelle est négligée. En effet, dans ce uploads/Industriel/ b1280-technique-de-l-ingenieur 1 .pdf