Approche couplant analyse pincement, analyse exergétique avancée et optimisation pour l’amélioration de l’efficacité énergétique des procédés industriels : apport des systèmes experts

La loi européenne sur le climat vise à atteindre la neutralité carbone d'ici 2050, en mettant l'accent sur la décarbonation de l'industrie. Pierre angulaire de la réduction des émissions de CO2, l'amélioration de l'efficacité énergétique consiste à remodeler les procédés industriels afin de les rendre plus sobres énergétiquement pour ensuite favoriser la connexion de ces procédés aux énergies renouvelables et récupérables, réputées moins intensives que les énergies fossiles. Pour améliorer les procédés existants dans ce sens, il est nécessaire de pouvoir disposer d’outils permettant de réaliser des diagnostics énergétiques avancés des procédés industriels afin d’élaborer des solutions d’efficacité énergétique et de faciliter la prise de décision relatives à leur mise en œuvre. L'approche COOPERE (COmbine Optimisation of Processes, Energy Recovery and Exergy analysis), développée par Gourmelon et al. (2017) au Laboratoire de Génie Chimique, fournit aux ingénieurs une méthodologie systématique pour identifier et corriger les inefficacités des processus industriels. S’appuyant sur une utilisation combinée de la méthode du pincement et de l’analyse exergétique, cette approche se décompose en trois étapes : la première consiste un recueil de données et une modélisation du procédé. La deuxième étape s’appuie sur une analyse pincement du procédé pour remodeler le réseau d’échangeurs de chaleur sans modifier la structure interne du procédé. Enfin la troisième étape combine analyse exergétique, analyse pincement et optimisation multicritère pour proposer des solutions de remodelage du procédé global (cœur du procédé et réseau d’échangeurs). Bien que très prometteuse, cette approche présente encore quelques limites susceptibles de nuire à son application en contexte industriel. Ces limites concernent essentiellement la troisième étape évoquée précédemment. Si l’analyse exergétique développée par Gourmelon et al. (2017) s’avère très efficace pour quantifier et caractériser les inefficacités exergétique de chaque section du procédé celle-ci privilégie encore un traitement exhaustif de l’ensemble des inefficacité identifiées, compliquant sensiblement la phase d’optimisation ultérieure et augmentant les CAPEX des solutions proposées. Sur ce point, la nécessité de hiérarchiser les actions d’améliorations en s’appuyant sur une analyse plus fine des irréversibilités observées sur le procédé apparaît essentiel et ce afin de rendre l’approche plus pragmatique. Par ailleurs, la proposition de modification structurelle du procédé visant à remédier à ces inefficacités demeure encore souvent délicate car requérant une solide expertise de la part de l’ingénieur. Les travaux présentés dans le cadre de ces travaux de thèse se propose de compléter l’approche COOPERE par une méthodologie couplant Analyse Exergétique Avancée, Raisonnement à base de règle et Optimisation pour remédier à ces limites. Dans un premier temps, l’analyse exergétique avancée permet de caractériser plus précisément les irréversibilités ; une approche générique permettant d’évaluer les irréversibilités évitables/inévitables d’une part et les irréversibilités endogènes/exogènes d’autre part a été implémentée, permettant ainsi une priorisation plus pertinente des sections de procédés devant faire l’objet d’une optimisation. Ces conclusions, permettent dans un second temps d’alimenter un système expert de raisonnement basé sur des règles et couplé à une ontologie visant à assister l'ingénieur dans la proposition de plusieurs alternatives de modifications structurelles du procédé. Enfin, une approche d’optimisation structurelle et paramétrique multicritère reposant sur une méta-heuristique et intégrée au simulateur est utilisée pour déterminer un jeu d’alternatives de procédés (défini par une structure du procédé et un jeu de paramètres opératoires) qui minimisent les critères tels que Maximum d’Energie Récupérable, consommation électrique, cout d’investissement…).