Conclusions

Ce chapitre a présenté une méthode d'éco-conception appliquée à l'optimisation d'un procédé chimique qui tient compte des contributions de la production des utilités nécessaires au fonctionnement de l’ensemble du procédé, par l'intermédiaire du logiciel ArianeTM pour la gestion des systèmes de production d’utilités. Le procédé de référence HDA, étudié pour la première fois par [DOU 88] a servi d’exemple pour l’illustration de l’approche, qui se distingue des méthodes traditionnelles de traitement en « fin de chaîne ». Le procédé HDA a été étudié sous deux structures différentes dans sa partie production d’utilités. En effet, la production de la vapeur est assurée dans la première structure, par le couplage entre une chaudière et une turbine à vapeur et dans la seconde structure, par un turbocompresseur et un

générateur de vapeur utilisant les fumées d’échappement du turbocompresseur. Les deux structures ont été conçues en tenant compte des objectifs classiques d’ingénierie tels que la production de benzène et le coût annuel total, en considérant également les charges environnementales telles que les potentiels de réchauffement global, d'acidification, potentiel de création d'ozone photochimique, de toxicité humaine et d’eutrophisation. Une variante de l’algorithme génétique multiobjectif classique NSGA II est utilisée pour résoudre les différents problèmes. Dans un premier temps, une bonne valeur de la production de benzène a été identifiée dans un intervalle limité de coûts. Puis une éventuelle dégradation du coût annuel, et donc de la production de benzène ont été autorisées en travaillant sur un intervalle autour de cette valeur, dans le but d’améliorer les performances environnementales du procédé. Au lieu de rechercher un front de Pareto avec l'ensemble des objectifs, une étude préliminaire a été conduite pour déterminer un sous-ensemble de critères dépendants qui sont ensuite exprimés en fonction de critères indépendants sous forme de fonctions multilinéaires. Ainsi, le problème multiobjectif a pu être réduit à un problème tricritère. Des analyses multicritères de type TOPSIS et FUCA ont été réalisées sur l'ensemble des objectifs. Au terme de cette analyse, il ressort que FUCA donne de meilleurs résultats que TOPSIS.

Un scénario, basé sur la prise en compte d’une réglementation environnementale plus stricte, a été également pris en compte, sous la forme d’une contrainte visant à maintenir le critère GWP sous un certain seuil : cette stratégie s’est révélée efficace car les autres objectifs environnementaux EP, AP, HTP et PCOP se sont améliorés significativement. Des régressions multilinéaires sont réalisées à nouveau sur cet exemple dans le but d’obtenir un nouveau problème tricritère, qui est résolu par le biais de l’algorithme génétique NSGA IIb implémentée dans la bibliothèque Multigen. Par un simple réglage des facteurs de pondération utilisés dans le classement de la méthode FUCA, plusieurs solutions offrant un bon compromis peuvent être déduites des objectifs. Trois solutions correspondant respectivement à des plages de valeurs de production de benzène haute, moyenne et basse sont générées. Cette méthodologie peut être appliquée à un large éventail de problèmes de conception de procédés chimiques avec de multiples objectifs économiques et environnementaux.

Ce travail avait pour objectif le développement d’une méthode d'éco-conception de procédés appliquée au domaine de l’industrie chimique. Plus généralement, il s’inscrit dans une problématique d’évaluation globale et d’optimisation des impacts environnementaux et économiques des procédés de fabrication. L’étude proposée ici coïncide avec la phase préliminaire de synthèse de procédés : le cadre consistait à rechercher les conditions opératoires optimales vis-à-vis de critères économiques et environnementaux pour le fonctionnement et le dimensionnement d’un procédé dont la structure est figée (opérations unitaires fixées). Une première partie de l’étude a consisté à recenser les critères environnementaux pertinents pour l’évaluation d’un procédé. Nous avons ainsi retenu le potentiel de réchauffement global (GWP en équivalent CO2 t / an), le potentiel d'acidification

(AP en équivalent SO2 t / an), le potentiel de création d'ozone photochimique potentielle

(POCP en équivalent tonne C2H4), le potentiel d’eutrophisation (EP en équivalent PO4 3- t /

an) et le potentiel de toxicité humaine (HTP en t-C6H6 équivalent / an). L’étude

bibliographique a montré que les critères environnementaux ne sont pas encore à l’heure actuelle utilisés de manière large et routinière dans la conception d’un appareil industriel. Une attention particulière a été apportée à l’évaluation environnementale d’un procédé et aux impacts directs ou indirects qu’il peut générer à travers l’énergie mise en œuvre. Un élément central de l’analyse a impliqué un élargissement des frontières classiques du champ de l’étude lors de la phase de conception, puisque le système considéré doit prendre en compte le procédé lui-même et la contribution énergétique de la centrale de production d’utilités au procédé. Sur ce point, ce travail a fait l’objet d’une collaboration avec la Société ProSim SA à travers l’utilisation du logiciel ARIANETM, simulateur dédié à la production d’utilités. Le procédé de référence de production de benzène par hydrodésalkylation du toluène (HDA), étudié par [DOU 88] pour l’illustration de la synthèse hiérarchique de procédés et repris dans de nombreux travaux, a servi de banc de test. Le procédé HDA a été étudié sous deux structures différentes dans sa partie production d’utilités. Dans la première, la production de vapeur est assurée par le couplage entre une chaudière et une turbine à vapeur tandis que dans la seconde structure, cette production est assurée par une turbine à gaz. Ces deux structures ont été étudiées en tenant compte des objectifs classiques d’ingénierie tels que la production de benzène et la minimisation du coût annuel total, en considérant également les charges environnementales précédemment évoquées.

Un modèle simplifié du procédé a été développé et couplé avec le logiciel ARIANETM, afin de pouvoir être plus facilement intégré au sein d’une boucle d’optimisation multiobjectif. Les

performances du modèle, comparées à celles obtenues à partir d’un logiciel de flowsheeting, se sont avérées satisfaisantes vis-à-vis de l’ordre de grandeur des débits. Les solutions optimales ont été également évaluées, à posteriori, par le logiciel de flowsheeting. Une variante de l’algorithme génétique multiobjectif classique NSGA II, a été utilisée pour résoudre les différents problèmes multiobjectifs. L’analyse multicritère a été menée, d’une part, à l’aide d’une technique classique de type TOPSIS (Technique of Order Preference by Similarity to Ideal Solution) adaptée au cas de la maximisation et minimisation simultanées de critères et, d’autre part, par une méthode développée en interne baptisée FUCA (Faire Un Choix Adéquat). Le choix de ces techniques repose sur la minimisation du nombre de paramètres à fixer. La seconde méthode, très simple dans sa mise en œuvre pour le traitement de cas au moins tricritère, s’est avérée particulièrement intéressante.

Une phase importante a consisté lors de la mise en œuvre de la méthodologie d’éco- conception, à rechercher un sous-ensemble de critères dépendants qui sont exprimés en fonction des critères indépendants sous forme de fonctions multilinéaires. Ainsi, sur le cas étudié, le problème multiobjectif est réduit à un problème tricritère. Cette étape est essentielle pour ne retenir dans la phase d’optimisation multiobjectif que les critères contradictoires entre eux. Toutefois, l’analyse multicritère a été réalisée sur l’ensemble de tous les critères.

Les solutions optimales issues de l’analyse multicritère ont ensuite été traitées par un logiciel d’analyse de cycle de vie qui a confirmé les tendances précédentes.

L’argumentation proposée pour définir la méthodologie d’éco-conception s’est appuyée sur l’exemple classique du procédé HDA de production de benzène. Néanmoins, l’exemple ne doit pas limiter la portée de la démarche, qui se veut générale et adaptable à d’autres procédés. Les perspectives sur le plan pratique sont évidentes. Il est important de systématiser ce type d’approche au niveau de la phase conception de procédé, mais également de réaliser, sur un ensemble de procédés actuels, une analyse de leurs impacts afin de déterminer les voies potentielles d’amélioration de leur fonctionnement. Cela doit permettre d’aboutir à une cartographie des unités de production en termes d’impacts environnementaux, et à terme de l’établissement d’un label.

Ce travail ouvre également de larges perspectives d’un point de vue méthodologique :

- Intégration de modèles de simulation et d’analyse de cycle de vie : Ce travail a été exclusivement consacré aux impacts générés par le procédé et par la production associée d’utilités. Un point clé concernerait la meilleure intégration entre les outils de

compte de façon plus précise la phase d’inventaire des émissions et des extractions du procédé. Deux approches seraient en ce sens envisageables : une première consisterait à modéliser le procédé au sein de l’environnement d’analyse de cycle de vie. Mais les outils actuels ne sont pas à l’heure actuelle suffisamment performants pour modéliser de façon systématique les différentes opérations unitaires du procédé et analyser l’impact de la variation de conditions opératoires sur les impacts du procédé. La seconde consisterait à faire « piloter » le système par le logiciel de flowsheeting pour générer les résultats des bilans de matière et d’énergie, qui seraient ensuite communiqués au logiciel d’analyse de cycle de vie. L’identification des différents constituants mis en jeu dans le procédé, doit permettre d’obtenir par recours au logiciel d’analyse du cycle de vie (ACV) l’inventaire total des émissions et des extractions du procédé, et de déterminer les facteurs d’impacts associés. Cette seconde voie nous semble préférable compte tenu des spécificités des modèles d’approche systémique en génie des procédés. L’élaboration de ce cadre conceptuel fait partie des objectifs de thèse de Fernando Morales Mendoza (Thèse INPT, en cours depuis 2010).

- Mise en œuvre d’une métrique de développement durable pour les procédés : Dans ce travail, nous avons considéré des indicateurs environnementaux préconisés par plusieurs méthodologies ou institutions de Génie des Procédés. L’analyse mérite d’être poursuivie et le choix des critères affinés par rapport à certaines catégories de procédés (procédés de production d’énergie, procédés pharmaceutiques, bioprocédés par exemple, etc.). Par ailleurs, il importe aussi de s’intéresser à une métrique appropriée liée à la sécurité des procédés.

- Voies de synthèse et optimisation structurelle de procédés : Une autre perspective importante concerne l’optimisation tant des voies de synthèse et de la structure de procédés au sein d’une approche d’éco-conception. Elle implique un élargissement du problème dans la mesure où il s’agit de sélectionner la structure optimale du flowsheet à travers le choix d’opérations unitaires et les conditions opératoires correspondantes en considérant les impacts économiques et environnementaux. Elle repose ainsi sur des formulations mixtes non linéaires, avec des variables entières liées aux choix des voies de synthèse et de topologie du schéma du procédé et des variables continues liées aux conditions d’exploitation.

La prise en compte de ces éléments doit ainsi contribuer au développement d’un ensemble de règles de synthèse et d’analyse de procédés industriels intégrant des considérations environnementales au stade préliminaire de la conception d’un procédé. Ce type d’approche permettra de lever un certain nombre de verrous actuels liés au problème de la disponibilité des indicateurs dans les bases de données existantes et à leur fiabilité, notamment dans le domaine du Génie des Procédés.

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