La conception des EIP via des méthodes de simulation 33

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de: (i) évaluer et comparer quantitativement les bénéfices environnementaux et financiers qui peuvent émerger potentiellement à partir des liens matière et énergie entre entreprises; (ii) résoudre les problèmes généraux de conception, de rénovation ou d’opération ; (iii) aider à identifier des solutions complexes ou parfois contre-intuitives ; et (iv) évaluer des scénarios hypothétiques. En fait, le domaine de l’écologie industrielle est strictement lié à l’utilisation de bilans de matière et d’énergie, approche sur laquelle la discipline du génie des procédés a été construite. Malgré cela, les CPS ne sont pas couramment utilisés dans le domaine de l’écologie industrielle.

Les CPS sont des logiciels spécialisés qui sont utilisés pour modéliser les procédés des usines chimiques, ils font appel à des « computer-aided design » (CAD) pour concevoir le diagramme des flux de procédé (PFD). Aujourd'hui, les CPS sont si avancés qu’ils peuvent facilement remplacer des projets coûteux à échelle pilote. Ils sont en mesure de déterminer les effets ou les changements potentiels sur un sujet déterminé, prédire les coûts de capital, les émissions et évaluer les options d’optimisation et d’intégration, surtout énergétiques. Le fonctionnement des CPS est basé sur la résolution de bilans d’énergie et de matière. Le même principe de base peut ainsi être appliqué pour la conception de symbioses industrielles pouvant également être décrite par des bilans. À l’intérieur des CPS, des modèles phénoménologiques (physiques et chimiques) ou empiriques sont utilisés pour obtenir la solution d’un système (i.e. un ensemble d’opérations unitaires). Parmi les logiciels de CPS les plus connus on peut citer les suivants : Aspen Plus®, Aspen Hysys® (Aspen Technology, n.d.), Invensys SimSci Pro/II® et ProSim Plus®.

Par analogie, il est possible d’utiliser les CPS au moins dans les étapes initiales de la conception des EIP. Par ailleurs, il est important de souligner que le niveau de modélisation (i.e. le degré de détail) d’un EIP est toujours plus complexe que dans le cas d’une usine unique. En fait, les PFD détaillées des usines comprennent : des liens de contrôle, vannes, pompes et épurateurs de gaz (Figure 6), éléments qui peuvent être négligés pour la modélisation des EIP, en simplifiant le PFD (Figure 7) (Casavant & Côté, 2004).

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Figure 6. Exemple d'un diagramme de flux de procédé complexe (Turton, Bailie & Whiting, 2009).

Figure 7. Exemple d'un PFD simplifiée pour le cas des EIP (Casavant & Côté, 2004).

L’évaluation et la conception des EIP en utilisant les CPS constituent ainsi une possibilité, car des recherches relativement récentes ont démontré leur utilité. Au sein de ces recherches, Casavant et Côté (Casavant & Côté, 2004) ont utilisé les CPS pour concevoir un EIP « virtuel » qui englobe des usines de production de carton recyclé non blanchi, de récupération et de redistribution de papier et carton de la forêt pour le recyclage, de production de tubes de carton et de production et d’impression de papier. L’approche utilisée pour modéliser un EIP est plutôt holistique : dans chaque usine, les opérations unitaires nécessaires sont modélisées afin calculer les paramètres importants lors de l’analyse d’un EIP, i.e. consommation de carburant, d’eau,

Gazéification de Charbon Capture de CO2 Raffinerie Production d’Electricité Synthèse de MeOH et DME Séparation d’Air

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génération de déchets, émissions de polluants et pertes énergétiques. Dans cette étude, les auteurs ont utilisé des analyses de sensibilité pour évaluer les connexions potentielles entre les usines, en employant des scenarios hypothétiques.

Quelques années après, Zhang et al. (Zhang, Strømman, Solli, et al., 2008),se sont basés sur des modèles en utilisant les CPS pour établir la planification et la conception d’un EIP à travers une procédure en sept étapes. Les sept étapes proposées sont synthétisées ici :

1. Analyse des buts et des opportunités de former l’EIP.

2. Inventaire et analyse des activités existantes sur le site en considérant des dimensions techniques, sociales et analyse du marché.

3. Identification de nouvelles activités potentielles, basée sur les résultats des étapes 1 et 2. 4. Conception de la structure préliminaire de l’EIP.

5. Modélisation et simulation des composants de l’EIP en utilisant les CPS.

6. Analyse de sensibilité des variables et des paramètres clés de chaque procédé ainsi que ceux de l’EIP global, afin d’identifier les impacts que sur la performance d’un procédé, des autres procédés et par conséquence sur l’EIP entier.

7. Proposition de stratégies et de scenarios alternatifs pour améliorer la structure proposée dans l’étape 4.

Grâce aux étapes décrites ci-dessus, les auteurs ont développé une méthodologie pour la planification et la conception initiale d’un EIP à Mongstad, en Norvège, autour d’une raffinerie de pétrole et de gaz déjà existante. Cet EIP conceptuel comprend des usines de gazéification et de production de syngas, de captage de CO2, de synthèse de méthanol et de DME (éther

diméthylique) ainsi qu’une usine de production combinée de chaleur et d’énergie.

Finalement, il est important de noter que la conception et l’analyse des EIP par modélisation et simulation avec les CPS utilisent les analyses de sensibilité comme outil d’aide à la décision. Dans ce cadre-là, les analyses de sensibilité peuvent fournir des informations importantes mais sont surement moins efficaces qu’une solution optimale. La façon de choisir les interconnexions de flux entre les différentes usines est primordiale, d’autant plus qu’elle est réalisée « à la main » avec les CPS, i.e. basée uniquement sur des heuristiques plutôt que sur un support mathématique. Un support mathématique permettant de choisir les interconnexions entre usines peut être régi par des modèles mathématiques d’optimisation, car ce sont des décisions discrètes plutôt que continues. Enfin, les CPS ne sont pas en capacité de traiter les décisions

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d’interconnexions (discrètes), puisqu’elles n’interagissent qu’avec des variables continues (e.g. débits, composition, température des courants…).

C’est pour ces raisons que les méthodes basées sur les CPS sont plutôt des outils qui servent à l’analyse lors de la première phase de conception des EIP. Dans ce cas, ils ont alors comme principale finalité l’obtention de données opératoires des différentes usines composant l’EIP. En mettent en œuvre les différents flowsheets des procédés et en les simulant, les conditions opératoires peuvent être déterminées, e.g. la température et la composition des courants. Ces informations, peuvent être utilisées a posteriori dans les modèles mathématiques d’optimisation. En conclusion, les CPS ne sont pas en capacité de résoudre la problématique énoncée auparavant puisque la simulation n’est pas en capacité de satisfaire de façon simultanée tous les critères dont la conception d’un EIP fructueux en a besoin.