Composition de la thèse 56

Comme il a été énoncé auparavant, le point de départ de cette thèse est celle de Boix (Boix, 2011) ainsi que l’analyse bibliographique de Boix et al. (Boix, Montastruc, Azzaro-Pantel, et al., 2015). En premier lieu, les modèles d’optimisation multiobjectif des réseaux d’eau et/ou d’énergie ont été développés, étudiés puis étendus à la conception des EIP. En conséquence, il y a deux points importants à souligner : i) pour pouvoir établir des comparaisons par rapport aux travaux antérieurs, ce travail s’intéresse principalement à la conception de réseaux d’eau et/ou énergie et ii) l’ordre des articles est évolutif : la première partie de cette thèse est dédiée à l’étude des méthodes d’optimisation multiobjectif appliquées aux réseaux d’eau (individuels et dans un EIP), la suite des articles étudie des nouvelles méthodologies principalement liées à la théorie des jeux.

Chaque article est directement lié à celui qui le précède et à celui qui le suit avec l’introduction d’un outil, d’un nouveau concept ou d’une amélioration, comme cela est illustré dans la Figure 15. Chaque chapitre de cette thèse est donc représenté par un article scientifique (paru, accepté ou soumis) destiné à être publié dans une revue internationale avec comité de lecture. Les articles en italique, quant à eux, sont des articles mineurs qui servent, soit comme complément d’un article, soit comme connexion entre deux articles. Ils ont été publiés dans Computer Aided Chemical Engineering dans le cadre des congrès PSE2015/ESCAPE25 et ESCAPE26 (European Symposium on Computer Aided Process Engineering/Process System Engineering, respectivement).

Comme déjà évoqué précédemment, le schéma de la Figure 15 montre que ce travail de thèse a comme point de départ la thèse de Boix (Boix, 2011) ainsi que la revue de Boix et al. (Boix, Montastruc, Azzaro-Pantel, et al., 2015). Ces travaux ont permis de mettre en évidence deux problématiques : une partie directement liée aux modèles et aux méthodologies de résolution des problèmes de conception et d’opération des EIP et un autre volet concernant l’influence des paramètres opératoires sur le fonctionnement d’un EIP. L’article 1 de ce travail répond à la première problématique puisqu’il vise à étudier les méthodes d’optimisation multiobjectif, et s’intéresse notamment à la façon de résoudre les problèmes multiobjectif de manière robuste et rapide grâce à la méthode de programmation par but (« goal programming »). Le second article a pour but d’introduire les modèles des EIP et d’étudier sa résolution à travers le goal programming. Ce travail

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permet de mettre en évidence les limitations des méthodes multiobjectif pour satisfaire de façon « acceptable » plusieurs objectifs conflictuels. C’est à partir de là que la mise en œuvre d’un modèle basé sur la théorie des jeux est proposé. Ainsi, l’article 3 introduit le concept de régulateur/autorité de l’EIP, un modèle MLFG basé sur la théorie des jeux introduite auparavant, est alors mis en œuvre. Partant de ce socle que constitue l’article 3, les articles 4 et 5 explorent respectivement l’influence des paramètres critiques à travers des plans d’expériences ainsi que l’analyse de sensibilité sur des modèles MLFG développés dans l’article 3. Ensuite, l’article 6 propose une extension des modèles MLFG et surtout, des applications pour la conception des EIP en traitant un cas d’étude sur la conception de réseaux d’utilités et en proposant une méthodologie complète pour la conception des EIP. Dans cette étude, les CPS ont notamment été utilisés pour pallier le problème du manque de données en fonction du niveau de détail de la modélisation choisie. Ensuite, l’article 7 revient sur les réseaux d’eau et propose de rajouter les réseaux d’énergie de façon simultanée. Ce travail met en œuvre une méthode hybride multiobjectif/théorie des jeux en reprenant des concepts étudiés dans l’article 1. Finalement, l’article 8 représente le point culminant de la thèse en mettant en œuvre une méthodologie purement MLMFG en introduisant deux régulateurs/autorités pour l’EIP, l’un pour l’eau et l’autre pour l’énergie.

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Figure 15. Diagramme d’organisation des articles qui composent la thèse.

1. Multiobjective Optimization Using Goal Programming for Industrial

Water Network Design

3. Water Integration in Eco-industrial Parks Using a Multi-leader-follower

Approach

7. Simultaneous Water and Energy Network Optimization in Eco- industrial Parks through a Hybrid Single-leader-multi-follower Game/

Goal Programming Approach

Goal Programming

Contexte des EIP et notions de la théorie des jeux

Introduction du concept d’autorité et MLFG

2. Water Exchanges in Eco- industrial Parks through Multiobjective Optimization and

Game Theory

Thèse de M. Boix

5. Optimal Design of Water Exchanges in Eco-industrial Parks through a Game Theory

Approach

Sensibilité sur les paramètres

Paramètres opératoires

Réseaux d’eau et d’énergie

6. Utility Network Optimization in Eco-industrial Parks by a Multi-

leader-follower game Model

Conception de réseaux d’utilités

8. Multi-leader-multi-follower Game Model for Simultaneous Water and Energy Integration in Eco-industrial Parks

MLMFG Modèle hybride

Goal Programming + SLMFG

Revue Boix et al.

4. Eco-industrial Park Parameter Evaluation through Design of Experiments over a Multi-leader- follower Game Model Formulation

Capacité de régénération Sensibilité sur

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Références

Adoue, C. (2004) Méthodologie d’identification de Synergies Éco-Industrielles Réalisables entre Entreprises sur le Territoire Français. PhD Thesis. Université de Technologie de Troyes.

Ahmetović, E. & Grossmann, I.E. (2011) Global Superstructure Optimization for the Design of Integrated Process Water Networks. AIChE Journal. [Online] 57 (2), 434–457. Available from: doi:10.1002/aic.12276.

Allenby, B. (2006) The Ontologies of Industrial Ecology? Progress in Industrial Ecology, An International Journal. [Online] 3 (1/2), 28–40. Available from: doi:10.1504/PIE.2006.010039.

Ashton, W. (2008) Understanding the Organization of Industrial Ecosystems. Journal of Industrial Ecology. [Online] 12 (1), 34–51. Available from: doi:10.1111/j.1530-9290.2008.00002.x.

Aspen Technology (n.d.) Aspen ONE. Cambridge, MA, USA, Aspen Technology.

Aviso, K.B., Tan, R.R. & Culaba, A.B. (2009) Designing Eco-Industrial Water Exchange Networks Using Fuzzy Mathematical Programming. Clean Technologies and Environmental Policy. [Online] 12 (4), 353–363. Available from: doi:10.1007/s10098-009-0252-1.

Biegler, L.T. (2010) Nonlinear Programming: Concepts, Algorithms, and Applications to Chemical Processes. Philadelphia, Society for Industrial and Applied Mathematics : Mathematical Optimization Society.

Biegler, L.T., Grossmann, I.E. & Westerberg, A.W. (1997) Systematic Methods of Chemical Process Design. Upper Saddle River, N.J., Prentice Hall PTR.

Boix, M. (2011) Optimisation Multicritère Des Réseaux D’eau. PhD Thesis. Toulouse, France, Université de Toulouse.

Boix, M. & Montastruc, L. (2011) Eco Industrial Parks for Water and Heat Management. Computer Aided Chemical Engineering. [Online] 291175–1179. Available from: doi:10.1016/B978- 0-444-54298-4.50014-3.

Boix, M., Montastruc, L., Azzaro-Pantel, C. & Domenech, S. (2015) Optimization Methods Applied to the Design of Eco-Industrial Parks: A Literature Review. Journal of Cleaner Production. 87303–317.

Boix, M., Montastruc, L., Pibouleau, L., Azzaro-Pantel, C., et al. (2011) A Multiobjective Optimization Framework for Multicontaminant Industrial Water Network Design. Journal of environmental management. [Online] 92 (7), 1802–1808. Available from: doi:10.1016/j.jenvman.2011.02.016.

Boix, M., Montastruc, L., Pibouleau, L., Azzaro-Pantel, C., et al. (2012) Industrial Water Management by Multiobjective Optimization: From Individual to Collective Solution Through Eco- Industrial Parks. Journal of Cleaner Production. [Online] 22 (1), 85–97. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2011.09.011.

- 60 -

Casavant, T.E. & Côté, R.P. (2004) Using Chemical Process Simulation to Design Industrial Ecosystems. Journal of Cleaner Production. [Online] 12 (8–10), 901–908. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2004.02.034.

Chae, S.H., Kim, S.H., Yoon, S.-G. & Park, S. (2010) Optimization of a Waste Heat Utilization Network in an Eco-Industrial Park. Applied Energy. [Online] 87 (6), 1978–1988. Available from: doi:10.1016/j.apenergy.2009.12.003.

Chertow, M.R. (2000) Industrial Symbiosis: Literature and Taxonomy. Annual Review of Energy and the Environment. [Online] 25 (1), 313–337. Available from: doi:10.1146/annurev.energy.25.1.313.

Chew, I.M.L., Tan, R., Ng, D.K.S., Foo, D.C.Y., et al. (2008) Synthesis of Direct and Indirect Interplant Water Network. Industrial & Engineering Chemistry Research. [Online] 47 (23), 9485– 9496. Available from: doi:10.1021/ie800072r.

Chew, I.M.L., Tan, R.R., Foo, D.C.Y. & Chiu, A.S.F. (2009) Game Theory Approach to the Analysis of Inter-Plant Water Integration in an Eco-Industrial Park. Journal of Cleaner Production. [Online] 17 (18), 1611–1619. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2009.08.005.

Collette, Y. & Siarry, P. (2003) Multiobjective Optimization: Principles and Case Studies. Springer.

Conticelli, E. & Tondelli, S. (2014) Eco-Industrial Parks and Sustainable Spatial Planning: A Possible Contradiction? Administrative Sciences. [Online] 4 (3), 331–349. Available from: doi:10.3390/admsci4030331.

Diwekar, U. (2010) Introduction to Applied Optimization. 2nd edition. New York, Springer. Erol, P. & Thöming, J. (2005) Eco-Design of Reuse and Recycling Networks by Multi- Objective Optimization. Journal of Cleaner Production. [Online] 13 (15), 1492–1503. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2005.04.008.

Fichtner, W., Frank, M. & Rentz, O. (2004) Inter-Firm Energy Supply Concepts: An Option for Cleaner Energy Production. Journal of Cleaner Production. [Online] 12 (8–10), 891–899. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2004.02.036.

Frosch, R.A. & Gallopoulos, N.E. (1989) Strategies for Manufacturing. Scientific American. 261 (3), 144–152.

Geng, Y., Côté, R. & Tsuyoshi, F. (2007) A Quantitative Water Resource Planning and Management Model for an Industrial Park Level. Regional Environmental Change. [Online] 7 (3), 123–135. Available from: doi:10.1007/s10113-007-0026-4.

Grossmann, I.E., Caballero, J.A. & Yeomans, H. (1999) Mathematical Programming Approaches to the Synthesis of Chemical Process Systems. Korean Journal of Chemical Engineering. [Online] 16 (4), 407–426. Available from: doi:10.1007/BF02698263.

- 61 -

Hiete, M., Ludwig, J. & Schultmann, F. (2012) Intercompany Energy Integration: Adaptation of Thermal Pinch Analysis and Allocation of Savings. Journal of Industrial Ecology. [Online] 16 (5), 689–698. Available from: doi:10.1111/j.1530-9290.2012.00462.x.

Himmelblau, T.F.E.& D.M. (1989) Optimization of Chemical Processes. New Ed. McGraw- Hill International Editions.

Jung, S., Dodbiba, G., Chae, S.H. & Fujita, T. (2013) A Novel Approach for Evaluating the Performance of Eco-Industrial Park Pilot Projects. Journal of Cleaner Production. [Online] 3950– 59. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2012.08.030.

Kantor, I., Fowler, M. & Elkamel, A. (2012) Optimized Production of Hydrogen in an Eco- Park Network Accounting for Life-Cycle Emissions and Profit. International Journal of Hydrogen Energy. [Online] 37 (6), 5347–5359. Available from: doi:10.1016/j.ijhydene.2011.08.084.

Kastner, C.A., Lau, R. & Kraft, M. (2015) Quantitative Tools for Cultivating Symbiosis in Industrial Parks; a Literature Review. Applied Energy. [Online] 155599–612. Available from: doi:10.1016/j.apenergy.2015.05.037.

Kulkarni, A.A. & Shanbhag, U.V. (2014) A Shared-Constraint Approach to Multi-Leader Multi-Follower Games. Set-Valued and Variational Analysis. [Online] 22 (4), 691–720. Available from: doi:10.1007/s11228-014-0292-5.

Leyffer, S. & Munson, T. (2010) Solving Multi-Leader–Common-Follower Games. Optimisation Methods & Software. 25 (4), 601–623.

Lim, S.-R. & Park, J.M. (2010) Interfactory and Intrafactory Water Network System To Remodel a Conventional Industrial Park to a Green Eco-industrial Park. Industrial & Engineering Chemistry Research. [Online] 49 (3), 1351–1358. Available from: doi:10.1021/ie9014233.

Lou, H.H., Kulkarni, M.A., Singh, A. & Hopper, J.R. (2004) Sustainability Assessment of Industrial Systems. Industrial & Engineering Chemistry Research. [Online] 43 (15), 4233–4242. Available from: doi:10.1021/ie049972w.

Lovelady, E.M., El-Halwagi, M. & Krishnagopalan, G.A. (2007) An Integrated Approach to the Optimisation of Water Usage and Discharge in Pulp and Paper Plants. International journal of environment and pollution. 29 (1–3), 274–307.

Lovelady, E.M. & El-Halwagi, M.M. (2009) Design and Integration of Eco-Industrial Parks for Managing Water Resources. Environmental Progress & Sustainable Energy. [Online] 28 (2), 265–272. Available from: doi:10.1002/ep.10326.

Mattila, T., Lehtoranta, S., Sokka, L., Melanen, M., et al. (2012) Methodological Aspects of Applying Life Cycle Assessment to Industrial Symbioses. Journal of Industrial Ecology. [Online] 16 (1), 51–60. Available from: doi:10.1111/j.1530-9290.2011.00443.x.

Miettinen, K. & Mäkelä, M.M. (2000) Interactive Multiobjective Optimization System Www- Nimbus on the Internet. Computers & Operations Research. 27 (7), 709–723.

- 62 -

Miettinen, K.M. (1999) Nonlinear Multiobjective Optimization. Springer.

Ministère de l’Economie et des Finances (2014) Présentation des feuilles de route des 34 plans de la nouvelle France industrielle.

Montastruc, L., Boix, M., Pibouleau, L., Azzaro-Pantel, C., et al. (2013) On the Flexibility of an Eco-Industrial Park (EIP) for Managing Industrial Water. Journal of Cleaner Production. [Online] 431–11. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2012.12.039.

Okkonen, L. (2008) Applying Industrial Ecosystem Indicators: Case of Pielinen Karelia, Finland. Clean Technologies and Environmental Policy. [Online] 10 (4), 327–339. Available from: doi:10.1007/s10098-007-0122-7.

Olesen, S.G. & Polley, G.T. (1996) Dealing with Plant Geography and Piping Constraints in Water Network Design. Process Safety and Environmental Protection. [Online] 74 (4), 273–276. Available from: doi:10.1205/095758296528626.

Panyathanakun, V., Tantayanon, S., Tingsabhat, C. & Charmondusit, K. (2013) Development of Eco-Industrial Estates in Thailand: Initiatives in the Northern Region Community- Based Eco-Industrial Estate. Journal of Cleaner Production. [Online] 5171–79. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2012.09.033.

Papalexandri, K.P. & Pistikopoulos, E.N. (1996) Generalized Modular Representation Framework for Process Synthesis. AIChE Journal. [Online] 42 (4), 1010–1032. Available from: doi:10.1002/aic.690420413.

Rangaiah, G.P. & Bonilla-Petriciolet, A. (2013) Multi-Objective Optimization in Chemical Engineering: Developments and Applications. 1st edition. Wiley.

Rubio-Castro, E., Ponce-Ortega, J.M., Nápoles-Rivera, F., El-Halwagi, M.M., et al. (2010) Water Integration of Eco-Industrial Parks Using a Global Optimization Approach. Industrial & Engineering Chemistry Research. [Online] 49 (20), 9945–9960. Available from: doi:10.1021/ie100762u.

Rubio-Castro, E., Ponce-Ortega, J.M., Serna-González, M. & El-Halwagi, M.M. (2012) Optimal Reconfiguration of Multi-Plant Water Networks into an Eco-Industrial Park. Computers & Chemical Engineering. [Online] 4458–83. Available from: doi:10.1016/j.compchemeng.2012.05.004.

Rubio-Castro, E., Ponce-Ortega, J.M., Serna-González, M., Jiménez-Gutiérrez, A., et al. (2011) A Global Optimal Formulation for the Water Integration in Eco-Industrial Parks Considering Multiple Pollutants. Computers & Chemical Engineering. [Online] 35 (8), 1558–1574. Available from: doi:10.1016/j.compchemeng.2011.03.010.

Saikku, L. (2006) Eco-Industrial Parks: A Background Report for the Eco-Industrial Park Project at Rantasalmi. Mikkeli, Finland: Publications of Regional Council of Etelä-Savo. 712006.

- 63 -

Singh, A., Lou, H.H., Yaws, C.L., Hopper, J.R., et al. (2007) Environmental Impact Assessment of Different Design Schemes of an Industrial Ecosystem. Resources, Conservation and Recycling. [Online] 51 (2), 294–313. Available from: doi:10.1016/j.resconrec.2006.10.002.

Sokka, L., Pakarinen, S. & Melanen, M. (2011) Industrial Symbiosis Contributing to More Sustainable Energy Use – an Example from the Forest Industry in Kymenlaakso, Finland. Journal of Cleaner Production. [Online] 19 (4), 285–293. Available from: doi:10.1016/j.jclepro.2009.08.014. Tiejun, D. (2010) Two Quantitative Indices for the Planning and Evaluation of Eco-Industrial Parks. Resources, Conservation and Recycling. [Online] 54 (7), 442–448. Available from: doi:10.1016/j.resconrec.2009.09.010.

Tudor, T., Adam, E. & Bates, M. (2007) Drivers and Limitations for the Successful Development and Functioning of Eips (eco-Industrial Parks): A Literature Review. Ecological Economics. [Online] 61 (2–3), 199–207. Available from: doi:10.1016/j.ecolecon.2006.10.010.

Turton, R., Bailie, R.C. & Whiting, W.B. (2009) Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes. Third. Prentice Hall.

Yeomans, H. & Grossmann, I.E. (1999) A Systematic Modeling Framework of Superstructure Optimization in Process Synthesis. Computers & Chemical Engineering. [Online] 23 (6), 709–731. Available from: doi:10.1016/S0098-1354(99)00003-4.

Zhang, X., Strømman, A.H., Solli, C. & Hertwich, E.G. (2008) Model-Centered Approach to Early Planning and Design of an Eco-Industrial Park Around an Oil Refinery. Environmental science & technology. 42 (13), 4958–4963.

- 65 -