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HAL Id: tel-02892064 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-02892064 Submitted on 7 Jul 2020 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Méthode d’optimisation de procédés hybride associant une analyse thermodynamique et des méthodes algorithmiques Fabien Thibault To cite this version: Fabien Thibault. Méthode d’optimisation de procédés hybride associant une analyse thermodynamique et des méthodes algorithmiques. Génie des procédés. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014. Français. NNT : 2014ENMP0088. tel-02892064 MINES ParisTech Centre pour l'Efficacité Énergétique des Systèmes 5 Rue Léon Blum - 91120 Palaiseau T T H H È S S E E École doctorale n°432-SMI : Sciences des Métiers de l'Ingénieur Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l'École Nationale Supérieure des Mines de Paris Spécialité " Énergétique et Procédés " présentée et soutenue publiquement par Fabien THIBAULT le 22 octobre 2014 CONFIDENTIEL jusqu'au 22 octobre 2019 Directeur de thèse : Didier MAYER Co-encadrement de la thèse : Assaad ZOUGHAIB Jury M. Michel FEIDT, Professeur, LEMTA, Université de Lorraine Président M. Pierre NEVEU, Professeur, UFR SEE, Université de Perpignan Rapporteur M. Jean-Henry FERRASSE, Maîre de conférences, M2P2, Université Aix Marseille 3 Examinateur M. Didier MAYER, Professeur, DEP, Mines ParisTech Examinateur M. Assaad ZOUGHAIB, Maître Assistant, CES, Mines ParisTech Examinateur M. Bernard MAESTRALI, Docteur, EDF Lab Les Renardières, EDF R&D Examinateur Méthode d’optimisation de procédés hybride associant une analyse thermodynamique et des méthodes algorithmiques T H È S E 2/136 3/136 Pour Nathanaël 5/136 Sommaire Introduction Générale .............................................................................................................. 9 Chapitre I : Étude bibliographique sur les méthodes d'analyse énergétique et d'optimisation mathématique ................................................................................................ 13 1. La méthode du Pincement : principes, applications et limitations ................................ 13 1.1. Présentation de la méthode .................................................................................... 14 1.2. Construction du réseau d’échangeurs de chaleur ................................................... 19 1.3. Targeting et Objectifs ............................................................................................ 22 2. Autres méthodes d’analyse ............................................................................................ 27 2.1. Analyse exergétique ............................................................................................... 28 2.2. La méthode du pincement étendue à l’analyse exergétique ................................... 29 2.3. La méthode de Frazier............................................................................................ 30 2.4. Analyse de cycle de vie .......................................................................................... 32 3. Optimisation mathématique .......................................................................................... 34 3.1. Formulation d’un problème d’optimisation ........................................................... 34 3.2. Programmation linéaire et non linéaire .................................................................. 36 3.3. Méthodes heuristiques et métaheuristiques ........................................................... 38 Conclusion ............................................................................................................................ 44 Chapitre II : Conception d’un réseau d’échangeurs de chaleur sous contraintes multiples .................................................................................................................................. 45 1. Choix d’un algorithme existant ..................................................................................... 46 1.1. L’approche simultanée ........................................................................................... 47 1.2. L’approche séquentielle ......................................................................................... 49 1.3. L’approche par linéarisation .................................................................................. 51 1.4. Les approches méta-heuristiques ........................................................................... 53 1.5. Les méthodes de reconception/rénovation ............................................................. 55 1.6. Choix de l’algorithme de Barbaro et Bagajewicz .................................................. 57 2. Mise en œuvre numérique ............................................................................................. 61 2.1. Choix des cas de référence ..................................................................................... 61 2.2. Environnement de développement ......................................................................... 62 2.3. Discrétisation en trois étapes.................................................................................. 62 2.4. Précalcul des éléments non linéaires ...................................................................... 63 6/136 2.5. Flux procédés à températures de sortie variables................................................... 64 3. Différenciation des technologies d’échangeurs de chaleur ........................................... 66 3.1. Présentation et interface ......................................................................................... 66 3.2. Implémentation dans le modèle de HEN ............................................................... 68 3.3. Validation sur un cas de référence ......................................................................... 70 4. Utilisation de l’algorithme sur un cas industriel de raffinerie pétrochimique ............... 74 4.1. Présentation du cas ................................................................................................. 74 4.2. Premiers résultats ................................................................................................... 77 4.3. Simplification des flux ........................................................................................... 79 4.4. Amélioration des utilités ........................................................................................ 80 Conclusion ............................................................................................................................ 81 Chapitre III : Module de pré-sélection d’utilités thermodynamiques .............................. 83 1. Développement du module de préselection : Inspiration et Principes physiques ......... 84 1.1. Les différents types d’utilité .................................................................................. 85 1.2. Restriction de l’espace de recherche ...................................................................... 86 1.3. Zonage thermique des autres utilités ...................................................................... 89 2. Formulation mathématique et cas d’exemple ................................................................ 90 Chapitre IV : Application de la méthodologie à une usine de fabrication de papier ..... 105 1. Méthodologie d’étude de problèmes d’intégration énergétique .................................. 105 1.1. Enchainement Présélection des Utilités / Conception du HEN ........................... 105 1.2. Analyse de l'état actuel du procédé ...................................................................... 106 1.3. Etudes avec/sans retrofit des échangeurs/utilités existants .................................. 107 2. Étude préliminaire du procédé de fabrication de papier.............................................. 108 2.1. Présentation générale ........................................................................................... 108 2.2. Consommations actuelles ..................................................................................... 111 2.3. Consommation théorique minimale : vision thermodynamique .......................... 112 2.4. Consommation théorique minimale : vision technologique ................................ 112 2.5. Evaluation des solutions de récupération déjà en place ....................................... 113 3. Etudes de reconception du procédé papetier ............................................................... 115 3.1. Reconception générale de la valorisation des condensats .................................... 116 3.2. Intégration de nouvelles utilités thermodynamiques ........................................... 118 3.3. Optimisation des pompes à chaleur ..................................................................... 121 Conclusion .......................................................................................................................... 124 7/136 Conclusion Générale ............................................................................................................ 125 Nomenclature ........................................................................................................................ 127 Bibliographie ......................................................................................................................... 129 Annexe ................................................................................................................................... 133 9/136 Introduction Générale En l'espace de 150 ans, l'espèce humaine s'est développé de plus en plus rapidement, impactant de fait son environnement immédiat. En à peine 50 ans, la population mondiale est passée de 3 milliards à plus de 7 milliards, et la consommation énergétique affiche une croissance identique. Or, 80% des 13 milliards de tonnes équivalent pétrole (tep) sont produits à partir de charbon, de pétrole ou de gaz qui sont des ressources fossiles. Une exploitation aussi intensive soulève deux problématiques : - Le prélèvement de ces ressources au rythme actuel se fait sur un stock fini et l'extraction est de plus en plus complexe et coûteuse. Depuis 1980, la survenue du "peak oil", le moment où la demande sera supérieure à la production, est estimée entre 2020 et 2040. L'augmentation des prix aura des conséquences d'autant plus graves que la dépendance à ces ressources sera importante. L'histoire a montré que le contrôle des approvisionnements est un facteur de tensions internationales et de conflits. - L'utilisation de ces ressources fossiles se fait essentiellement par combustion, relâchant du dioxyde de carbone et d'autres composés chimiques en grande quantité dans l'atmosphère. Ces gaz à effet de serre perturbent le cycle naturel du carbone. Grace à la compilation des centaines d'études scientifiques, le GIEC a désormais la quasi-certitude que les émissions de CO2 liées à l'activité humaine ont une influence sur le changement climatique. Production mondiale d'énergie primaire de 1971 à 2011, en Millions de tep ** : inclus la géothermie, le solaire, l'éolien ... source : AIE 10/136 Bien que la problématique soit connue depuis une quinzaine d'année, la production continue de croitre pour tous les types de ressources. L'utilisation croissante du charbon, majoritairement liée à l'essor de l'économie chinoise, est préoccupante en termes d'émissions de gaz à effet de serre. L'utilisation de l'énergie est répartie dans 3 secteurs à parts presque égales : les transports, le résidentiel/tertiaire et l'industrie. Toutefois, en analysant les consommations par énergie et par secteur, on remarque que le secteur industriel capte 50% du charbon et du gaz naturel, quand les transports captent 45% de la consommation de pétrole. Par ailleurs, les secteurs du transport et du bâtiment sont des postes de consommations diffus de faibles puissances sur le territoire, tandis que le secteur industriel représente des consommations localisées de fortes puissances, d'où la focalisation sur l'industrie. Industrie et Énergie L'énergie consommée dans l'industrie est en grande majorité d'origine fossile : le Gaz, le pétrole et le charbon représente 69% de l'énergie consommée. De plus, l'électricité est, au niveau mondial, largement produite à partir de charbon ou de gaz naturel, donc d'énergie fossile. Or, la combustion de ces ressources fossiles émet des gaz à effets de serre (GES), donc le GIEC a reconnu l'impact sur le dérèglement climatique. Origine de l'énergie dans l'industrie : Monde (gauche) et France (droite), source AIE En France, 60% de l'énergie est issue de ressources fossiles. Les 32% d'électricité sont produits par des centrales nucléaires ou hydroélectriques et donc très peu émissives en GES. 7% sont déjà issus de la valorisation de déchets et d'énergies renouvelables (géothermie...). Au niveau politique, la France est signataire du paquet "Énergie-Climat" qui fixe des objectifs énergétiques ambitieux à horizon 2020 : - Porter la part des renouvelables à 20% - Réduire de 20% les émissions de GES - Améliorer de 20% l'efficacité énergétique Charbon 33% Pétrole 14% Gaz 22% Électricité 31% Charbon 15% Produits pétroliers 16% Gaz Naturel 30% Electricité 32% EnRt + Déchets 7% 11/136 En termes de perspectives, les scénarii de l'évolution des émissions de GES prévoient un doublement de 30 à 60 milliards de tonnes à horizon 2050, alors que l'objectif est d'atteindre les 14 milliards. Près de 60% de l'objectif peut être atteint en améliorant l'efficacité énergétique au sens large. 19% d'amélioration sont attendus du développement des technologies de capture et stockage du carbone et 17% de celui des énergies renouvelables. Les 6% restants sont liés à l'essor du nucléaire, déjà bien présent en France. Scénario d'évolution des émissions de GES, source BP Statisticals Review Le travail de cette thèse, réalisé dans le uploads/Science et Technologie/ 2014enmp0088.pdf