Méthodologie de conception de l’architecture d’intégration énergétique

Depuis le 19ème siècle, l’augmentation de la consommation mondiale d’énergie a été accompagnée de celle des émissions de CO2 et d’autres gaz à effet de serre. Ces augmentations menacent la stabilité du climat et la santé. Pour faire face à ce problème, plusieurs mesures sont proposées. Parmi les axes les plus importants on peut citer : l’augmentation de l’efficacité énergétique, particulièrement dans l’industrie et l’augmentation de la part des énergies renouvelables dans les systèmes de production d’énergie.

Pour atteindre une haute efficacité énergétique dans l’industrie, des méthodes d’intégration énergétique ont été développées. La plupart de ces travaux traitent des procédés continus. Or 50 % des procédés industriels sont des procédés discontinus ou variables dans le temps. D’où la problématique suivante : comment effectuer l’intégration énergétique des procédés discontinus ou variables dans le temps ?

D’autre part, dans une démarche réelle de conception, l’optimum exergétique ne suffit pas car le coût de réalisation d’une solution ne peut pas être négligé. Cet aspect est d’autant plus important qu’avec le déploiement des énergies renouvelables à grande partie intermittente, la fourniture d’énergie va être de plus en plus disponible à coût variable ou avec des obligations d’effacement du réseau. Comment alors concevoir une solution intégrée et rentable, pour les procédés discontinus ou variables et répondant aux contraintes imposées par le réseau comme la variation des prix de l’énergie et les obligations d’effacement du réseau ?

Depuis le 19ème siècle, le développement de l’industrie a été le levier d’un développement économique et des sociétés dans la plupart des pays. Il a été également accompagné d’une augmentation de la consommation mondiale d’énergie   ainsi que des émissions de CO2 et de gaz à effet de serre.

D’autre part, pour pouvoir être utilisées, ces énergies fossiles subissent la combustion. Ceci est l’origine de dégagement du CO2 et d’autres composés chimiques dans l’atmosphère. Les effets indésirables de la croissance de ces émissions de CO2 et d’autres gaz à effets de serre (GES) sont déjà constatés en observant le changement climatique, l’augmentation de la température moyenne du globe et le taux de pollution croissant. La relation entre le changement climatique et le dégagement du CO2 lié à l’activité humaine a été confirmé par le GIEC dans son cinquième rapport [3] avec une certitude supérieure à 95 %.

Face à tous ces problèmes, plusieurs mesures ont été prises pour réduire les émissions de CO2 et de GES via la réduction de la dépendance aux énergies fossiles d’une part et la réduction de la consommation d’énergie d’autre part.

Dans le cas de la France, au niveau politique, elle 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.

Le premier axe important pour réduire le besoin en énergie et ainsi les émissions de GES résultant de la production d’énergie, est l’aboutissement d’une haute efficacité énergétique. Celle-ci par définition, est le rapport entre l’énergie directement utilisée (i.e. l’énergie nécessaire pour fournir un produit ou un service) et l’énergie actuellement consommée. Un procédé est plus efficace énergétiquement s’il consomme moins d’énergie pour faire le même produit.

L’industrie est l’un des secteurs énergivores ; elle consomme plus de 40 % de l’énergie finale mondiale consacrée à la production de la chaleur . Ce secteur est également responsable d’une grande partie (>27 %) des émissions totale en CO2 .

On distingue deux types d’efficacité énergétique dans l’industrie :
• l’efficacité énergétique passive, qui est constituée des travaux d’isolation (stockages thermiques, canalisations etc.) et de la limitation des pertes énergétiques dans le procédé industriel.
• l’efficacité énergétique active, qui consiste à améliorer la performance des systèmes de chauffage et de refroidissement, l’utilisation des systèmes de conversion d’énergie (pour valoriser la chaleur à basse température comme les effluents par exemple etc.), le pilotage et le contrôle de l’utilisation de l’énergie, l’intégration énergétique des flux du procédé…

L’intégration énergétique des procédés est une voie parmi plusieurs suivies pour réduire la consommation d’énergie et augmenter l’efficacité énergétique des procédés. Elle est devenue de plus en plus répandue et utilisée, surtout dans l’industrie.

Un axe important permettant la réduction des émissions de GES est l’utilisation des sources d’énergies renouvelables. Plusieurs sont disponibles [5] : le soleil, le vent, la chaleur de la terre, les chutes d’eau, les marées ou encore la biomasse. L’utilisation de ces sources d’énergie participe à la lutte contre l’effet de serre et les rejets de CO2 dans l’atmosphère et facilite la gestion raisonnée des ressources locales. Le solaire (photovoltaïque, thermique etc.), l’hydroélectricité, l’éolien, la biomasse et la géothermie sont des énergies flux considérables par rapport aux « Energies Stock » tirées des gisements de combustibles fossiles en voie de raréfaction (pétrole, charbon, lignite, gaz naturel etc.).

La production totale d’électricité en France à partir des énergies renouvelable en 2014 est de l’ordre de 96,1 TWh. Elle représente 17 % de la production totale d’électricité en France pour cette année. Les sources d’énergies renouvelables sont réparties entre hydraulique, éolien, photovoltaïque et d’autres sources .

En revanche, plusieurs problèmes sont liés à l’utilisation des énergies renouvelables. Les plus contraignants sont :

• l’intermittence des énergies produites par ces systèmes ;
• la dépendance à la température ambiante et la météo de quelques uns de ces systèmes ;
• le prix d’investissement qui peut être trop élevé dans certains cas.

Ces contraintes peuvent empêcher leur utilisation ou la rendre limitée malgré le fait qu’elles représentent des sources d’énergie propres.

Ainsi, l’augmentation de la part des énergies renouvelables conduira à un besoin plus important de gestion active de la courbe de charge au niveau de la demande pour palier à la volatilité de l’offre. Ce type de politique existait déjà par les incitations tarifaires et touchait surtout le secteur résidentiel. L’industrie sera également mise à contribution.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 Intégration énergétique des systèmes non-continus : enjeux énergétiques, environnementaux et économiques
1.1. Contexte énergétique global
1.2. Efficacité énergétique dans l’industrie
1.3. Utilisation des énergies renouvelables et conséquences sur l’industrie
1.4. Les méthodes d’analyse et d’amélioration des procédés industriels
1.4.1. Méthode du pincement (de l’anglais « Pinch analysis »)
1.4.2. Méthodes de programmation mathématique
1.4.3. Analyse exergétique
1.4.4. Autres méthodes
1.5. L’intégration énergétique des procédés discontinus (IEPD) – Spécificités et méthodes actuelles
1.5.1. Pourquoi l’intégration énergétique des procédés discontinus (IEPD)?
1.5.2. Définition des procédés « batch » ou discontinus
1.5.3. Spécificités dans l’intégration énergétique des procédés discontinus
1.5.3.1. Types d’échanges thermiques dans les procédés discontinus
1.5.3.2. Types de stockage de chaleur
1.5.3.2.1. Stockage de chaleur sensible
1.5.3.2.2. Stockage de chaleur latente
1.5.4. Les différentes méthodes d’intégration énergétique des procédés discontinus
1.5.4.1. Méthodes basées sur la méthode du pincement
1.5.4.1.1. Analyse par intégration temporelle (de l’anglais « Time Average model »)
1.5.4.1.2. Modèle par intervalle temporel de l’anglais « Time slice model »
1.5.4.1.3. Modification de l’ordonnancement (de l’anglais « Rescheduling »)
1.5.4.1.4. Inclusion des stockages de chaleur
1.5.4.1.5. Analyse du pincement temporelle de l’anglais « Time Pinch Analysis »
1.5.4.2. Méthodes de programmation mathématique
1.5.4.2.1. Méthodes d’évaluation du potentiel de récupération d’énergie
1.5.4.2.2. Les méthodes de « rescheduling »
-v1.5.4.2.3. Méthodes incluant des stockages thermiques
1.5.4.3. Avantages et désavantages des méthodes dédiées à l’IEPD
1.5.4.3.1. Méthode du pincement Vs Méthodes de programmation mathématique
1.5.4.3.2. Rescheduling Vs Inclusion des stockages thermiques
1.6. Problématique de la thèse et méthodologie proposée
1.7. Conclusions
Chapitre 2 Conception de l’architecture d’intégration énergétique des procédés discontinus
2.1. Introduction
2.2. Description du réseau
2.3. Méthode de programmation
2.4. Discrétisation de la durée du procédé
2.5. Discrétisation de la plage de température des flux
2.6. Paramètres d’entrée du modèle
2.6.1. Paramètres concernant la discrétisation du temps et celle de la plage de température
2.6.2. Paramètres concernant les flux chauds et froids
2.6.3. Paramètre concernant l ‘échange de chaleur entre les différents fluides du réseau d’intégration énergétique
2.6.4. Paramètres liés au calcul de l’exergie
CONCLUSION

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