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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 1 281 − 1 Optimisation des processus énergétiques : applications par Maurice BELLOUARD Ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures Chef du Groupe Évaluations-Procédés du Centre d’Études et Recherches des Charbonnages de France (CERCHAR) Daniel LÉVY Ingénieur Civil des Mines Chef du Département Méthode au Service des Études Économiques Générales de Électricité de France (EDF) Michel BOUCHER Ingénieur Civil des Mines Chef Adjoint du Département Automatique et Systèmes à la Direction des Études et Techniques Nouvelles du Gaz de France (GdF) Denis BABUSIAUX Ingénieur Civil des Mines et de l’École Nationale Supérieure du Pétrole et des Moteurs (ENSPM) Docteur en Sciences Économiques Directeur du CES Économie et Gestion à l’ENSPM - Institut Français du Pétrole (IFP) Michel VALAIS Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Arts et Métiers et de l’École Nationale Supérieure du Pétrole et des Moteurs Chef du Département Diffusion de l’Information à l’Institut Français du Pétrole Président du Centre International d’Information sur le Gaz naturel (CEDIGAZ) et Jean-Pierre ANZANO Ingénieur de l’École Centrale Lyonnaise Ingénieur-Chercheur à la Direction des Études et Recherches de Électricité de France (EDF) 1. Filière charbon.......................................................................................... B 1 281 - 2 1.1 Conception et principe du modèle............................................................. — 2 1.2 Construction du modèle.............................................................................. — 4 1.3 Résultats et interprétation........................................................................... — 4 1.4 Conclusion.................................................................................................... — 5 2. Filière électricité ...................................................................................... — 5 2.1 Conception des équipements..................................................................... — 6 2.2 Combinaison optimale des équipements.................................................. — 7 2.3 Conclusion.................................................................................................... — 8 3. Filière gaz................................................................................................... — 8 3.1 Gaz dans le bilan énergétique national ..................................................... — 8 3.2 Chaîne gazière : champs de production à la distribution......................... — 9 3.3 Marchés et utilisations du gaz.................................................................... — 10 4. Filière combustibles dérivés du pétrole ............................................ — 11 4.1 Rafﬁnage dans l’évolution de la ﬁlière ...................................................... — 11 4.2 Programmes de fabrication en rafﬁnerie................................................... — 12 4.3 Investissement et adaptation des structures de rafﬁnage ....................... — 13 4.4 Conclusion.................................................................................................... — 14 5. Filières futures : hydrogène et méthanol.......................................... — 14 5.1 Introduction.................................................................................................. — 14 5.2 Évaluation des enjeux à long terme........................................................... — 14 5.3 Choix des paramètres techniques optimaux............................................. — 16 5.4 Conclusion.................................................................................................... — 17 Références bibliographiques ......................................................................... — 18 OPTIMISATION DES PROCESSUS ÉNERGÉTIQUES : APPLICATIONS _______________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. B 1 281 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique ’article « Optimisation des processus énergétiques » se compose de trois articles : — concepts [B 1 280] ; — applications [B 1 281] ; — gestion optimale [B 1 282]. L 1. Filière charbon La planiﬁcation de l’exploitation des Charbonnages de France doit prendre en considération les différentes qualités commercialisées. En effet, celles-ci sont fonction des types de charbon brut extrait des veines exploitées dans la mine d’origine. De plus, chaque procédé et les matériels d’utilisation du charbon exigent des qualités précises. Cette adéquation nécessaire de la qualité de charbon fourni au matériel utilisé implique une adéquation globale de la production et de la distribution qui doit faire l’objet d’une optimisation technico-économique. Dans ce but, un modèle nommé AREPPE (Aide à la Réﬂexion pour l’Établissement des Programmes de Production et d’Écoulement) a été établi par le CERCHAR. Il a pour objectif de rechercher, selon différentes hypothèses économiques, la production et la distribution qui optimisent une fonction économique. L’objet de ce texte est de présenter le modèle et son intérêt en vue d’illustrer une application de l’optimisation technico- économique à la ﬁlière charbon. 1.1 Conception et principe du modèle 1.1.1 Principe du modèle Le modèle AREPPE représente une certaine image du groupe Charbonnages de France en prenant en compte les contraintes qui pèsent sur l’activité (représentée par la production) et le marché, et les relations entre les activités des unités d’extraction, de lavage, de mélange, de carbonisation, de production électrique, etc. Elles sont rassemblées et traduites dans un système d’équations dont on recherche la solution correspondant au maximum d’une fonction économique. Le modèle AREPPE permet donc : — de déterminer le niveau adéquat pour chacune des activités et la distribution des qualités de charbon sur le marché, à atteindre pour obtenir le résultat optimal ; — de calculer la meilleure valorisation possible des charbons que peuvent produire les bassins houillers (Lorraine, Nord-Pas-de-Calais et Centre-Midi) ; — de déterminer ainsi les flux optimaux des produits tant au plan qualitatif (préparation et traitement) qu’au plan quantitatif (sélection des marchés par secteur consommateur et localisation géographique) ; en se ﬁxant a priori : — les conditions du marché, en potentiel et en valeur de référence ; — les coûts d’extraction, de préparation et de traitement des combustibles minéraux solides. 1.1.2 Données à prendre en considération Elles sont les suivantes : — les données économiques externes, essentiellement les prix des charbons d’importation, qui servent de référence pour la distribution sur les différents marchés régionaux ; — les volumes des débouchés potentiels correspondant à des catégories d’utilisateurs bien définies, chacun de ces débouchés étant décomposé en marchés régionaux ; — les coûts de chacune des opérations de production et de transformation, ainsi que les coûts de transport ; — les décotes ou surcotes appliquées aux prix des produits en vue de tenir compte des difficultés ou de l’intérêt d’usage d’une certaine qualité de charbon par rapport à celles qui lui sont substituables ; — les contraintes imposées au système : conditions techniques de certaines utilisations ou de certaines préparations, limites techniques de production et contraintes économiques externes. 1.1.3 Modélisation des opérations industrielles Le principe de la modélisation est schématiquement représentée sur la ﬁgure 1. I Extraction L’unité d’extraction prise en considération est le siège d’exploi- tation sortant une qualité de charbon. Dans le cas où un siège produit plusieurs qualités de charbon, on considérera qu’il y a autant de sièges ﬁctifs que de qualités. Chaque siège peut expédier son charbon de qualité donnée sur un ou plusieurs lavoirs au moyen d’une opération de transport de capacité limitée. I Lavage Il est effectué dans un atelier susceptible de traiter plusieurs qualités de charbon en provenance d’un ou de plusieurs sièges, chaque qualité de brut lavé dans cet atelier donnant une certaine répartition des produits. Ceux-ci sont, par exemple : ﬁnes brutes, classés, ﬁnes concassées, grains, ﬁnes lavées, mixtes ou schlamms bruts. En outre, le modèle permet d’envisager deux possibilités : — soit de concasser tout ou partie des classés pour obtenir des fines concassées et des grains en proportion définie ; — soit de flotter tout ou partie des schlamms pour obtenir des fines flottées séchées. I Mélange et préparation En vue de préparer une qualité commerciale, le modèle permet de prendre en compte des opérations telles que : agglomération, mélange, préparation (charbon pulvérisé, mélanges charbon-eau, etc.), qui sont toutes traitées de la même façon. Il est possible d’envoyer une ou plusieurs qualités de charbon dans un atelier de préparation qui, en principe, ne fabrique qu’un seul produit. Il peut recevoir, outre les charbons nationaux, d’autres matières premières : des charbons importés, du coke de pétrole, etc. ______________________________________________________________________________ OPTIMISATION DES PROCESSUS ÉNERGÉTIQUES : APPLICATIONS Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique B 1 281 − 3 Les charbons nationaux traités dans ce type d’atelier peuvent venir de n’importe quel siège ou lavoir et même de n’importe quel autre atelier de préparation ; le transport peut être pris en compte si la distance est grande. I Carbonisation Une cokerie est considérée, dans le modèle, comme un atelier fonctionnant sur une ou plusieurs formules de pâtes préparées à partir de plusieurs charbons nationaux ou importés en proportion déﬁnie. Les productions possibles de la cokerie sont les suivantes : le gaz, le coke de haut-fourneau, le coke métallurgique, le coke de fonderie, les cokes spéciaux, le coke Électrolor, les petits cokes et l’ensemble des sous-produits. Leurs quantités sont proportionnelles à la quan- tité totale brute de coke. Nota : le coke Électrolor est un coke fabriqué par un procédé de carbonisation en four tournant mis au point et breveté par les Houillères du Bassin de Lorraine. Il est utilisé comme réducteur en électrométallurgie en remplacement du charbon de bois, notamment pour la fabrication des ferro-alliages et de certains composés du silicium ou du phosphore. I Centrales électriques de Charbonnages de France Les centrales électriques minières peuvent brûler plusieurs combustibles solides et éventuellement du gaz provenant d’une cokerie du groupe. La quantité totale d’électricité produite est répartie entre l’auto- consommation des Houillères et la vente à Électricité de France (EDF). I Produits commerciaux Ils sont constitués par l’ensemble de tous les produits destinés à être valorisés ; ils comprennent les produits sortant des ateliers de lavage, de mélange, d’agglomération ou de préparation. Ils peuvent inclure éventuellement des productions brutes de siège. 1.1.4 Approche régionale de la distribution Les produits commerciaux sont expédiés des lieux de production vers les différentes régions de consommation. Le modèle prend en considération uploads/Industriel/ technique-de-l-x27-ingenieur.pdf