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Les Synthèses
de La Fabrique
Mai 2020 No
Efficacité énergétique :
Les promesses du numérique
LUCILLE PAYET, RAPHAËLE HETREUX,
GILLES HETREUX, PASCAL FLOQUET
L’EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE DES
PROCÉDÉS INDUSTRIELS, DE LA
THÉORIE À LA PRATIQUE
Pour atteindre en 2050 la neutralité carbone inscrite dans la loi
énergie-climat, le Gouvernement s’est fixé pour objectif de réduire
la consommation d’énergie en France de 40 % d’ici 2030. Le secteur
industriel, qui représente 20 % de la consommation énergétique finale1
,
doit contribuer significativement à cette économie.
Les sites industriels les plus gourmands en énergie sont notamment
ceux qui transforment la matière, comme on en trouve dans les in-
dustries chimique, pétrochimique, pharmaceutique, agroalimentaire …
Sur place, des fluides sont soumis à des changements de température
ou d’état (conversion de liquide en vapeur par exemple), ce qui consomme
de l’énergie par endroits et en libère en d’autres. On peut dès lors
optimiser la consommation du site industriel en recyclant cette énergie,
notamment en récupérant la chaleur produite à un endroit pour chauffer
un fluide froid situé ailleurs via un échangeur de chaleur, qui transfère
l’énergie thermique d’un fluide vers un autre sans les mélanger. Nous
avons développé un logiciel qui propose à l’exploitant industriel des
solutions pragmatiques de réduction de consommation d’énergie
thermique respectant les contraintes du site.
Des outils logiciels qui facilitent la rénovation thermique
De premiers cas d’école
Dans les usines 4.0, une nouvelle génération
de réseaux d’échangeurs flexibles
1
2
3
© iStock/kontrast-fotodesign
DES OUTILS LOGICIELS QUI
FACILITENT LA RÉNOVATION
THERMIQUE
L’optimisation de la consommation éner-
gétique a fait l’objet de nombreux travaux
théoriques qui restent à ce jour assez
peu mis en pratique par les industriels.
Pourquoi ? Parce que les solutions tech-
niques proposées, certes performantes,
reposent le plus souvent sur une refonte
intégrale du procédé existant et ignorent
les solutions de récupération énergétique
déjà installées conduisant alors à des
coûts d’installation élevés. Par ailleurs,
ces propositions ne tiennent pas toujours
compte des contraintes propres aux sites
étudiés, liées par exemple au réaménage-
ment du site, à l’incompatibilité des flux,
à la variabilité des procédés …
En conséquence de quoi on ne trouve
souvent, sur les sites industriels, que
des systèmes de récupération de chaleur
ad hoc, résultant d’aménagements suc-
cessifs plus que d’un réel processus d’op-
timisation. De tels systèmes s’avèrent
sous-optimaux et des économies d’énergie
significatives restent possibles2
.
En cherchant à exploiter les données
accessibles sur site, nous avons déve-
loppé une méthode d’analyse avancée
qui aboutit à une modélisation digi-
tale du site industriel. Notre travail de
recherche montre en effet que le recours
à l’outil informatique3
permet de dépas-
ser les limites des systèmes de récu-
pération jusqu’alors développés. Plus
précisément, il permet de proposer des
solutions concrètes améliorant l’effica-
cité énergétique mais aussi la flexibilité
et la robustesse des procédés. Les exploi-
tants peuvent bâtir par essais successifs
une solution qui respecte leurs contraintes
techniques et économiques. Ils obtien-
nent même un éventail de solutions, plus
ou moins coûteuses pour une réduction
plus ou moins forte de la consommation
énergétique : très schématiquement, plus
on installe un grand nombre d’échangeurs
nouveaux, plus on augmente l’investisse-
ment initial mais plus on réduit les coûts
opérationnels à venir.
Ce qui est essentiel, c’est que ces confi-
gurations proposées partent de l’existant
et non d’une feuille blanche. Elles peuvent
consister par exemple à retirer des échan-
geurs offrant une trop faible récupération
FIGURE 1
Principe de récupération
de chaleur
1. Bilan énergétique de la France pour 2018 : https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/sites/
default/files/2020-01/datalab-64-bilan-energetique-france-2018-janvier2020.pdf, p. 87.
2. Ces économies d’énergie sont diagnostiquées à l’aide d’une analyse systématique appelée analyse pincement
développée au début des années 80.
3. En pratique, nous avons développé deux composants logiciels. Le premier permet de collecter un jeu de don-
nées historiques en température, pression et débit sur un horizon représentatif du fonctionnement du procédé
(EDiFy : Enhanced Data Collection For Flexibility Analysis). Le second propose à l’exploitant un ensemble
de solutions de remodelage (RREFlex : remodelage de réseau d’échangeurs de chaleur flexibles).
Matières
premières
(ex : huile à 50°C)
Huile
chauffée
à 150°C
Huile
raffinée
à 170°C
Huile raffinée
refroidie à 25°C
Apport de froid
(coût : €€ – rejet CO²
: ++)
Vers cuve
de stockage
Préchauffage
du mélange
Traitement
Refroidissement
du produit
Apport de chaleur
(coût : € – rejet CO²
: ++)
Avec récupération
de chaleur
Matières
premières
(ex : huile à 50°C)
Huile
chauffée
à 150°C
Huile raffinée à 170°C
Apport de froid
(coût : € – rejet CO²
: +)
Préchauffage
du mélange
Traitement
Refroidissement
du produit
Huile raffinée refroidie à 70°C
Huile raffinée
refroidie à 25°C
Vers cuve
de stockage
Sans récupération
de chaleur
Efficacité énergétique : les promesses du numérique2
1Mai 2020 No
énergétique, pour les mettre ailleurs ou
les remplacer par d’autres, afin d’obtenir
une récupération de chaleur plus efficace.
DE PREMIERS CAS D’ÉCOLE
Nous avons éprouvé l’utilité de ces
logiciels en les appliquant à trois unités
industrielles : un atelier de production
de biodiesel à partir d’huile de colza,
un train de préchauffe de pétrole brut
(société Total) et un site de production
de mono-chlorure de vinyle (société
Vynova). Pour des raisons de confiden-
tialité, nous ne présentons ici que les
résultats tirés de ce dernier cas.
La consommation thermique4
de cette
installation s’élève à 108 MW environ,
dont 16 MW de vapeur et 92 MW de gaz
pour les unités de craquage. Les configu-
rations viables proposées par l’outil logi-
ciel consistent à remanier les échangeurs
déjà installés et à en ajouter de nouveaux.
L’économie d’énergie thermique attendue
varie entre 6 et 8 MW pour un à quatre
échangeurs ajoutés, ce qui représente près
de 50 % de la consommation en vapeur
du site et près de 8 % de la consomma-
tion thermique totale. La mise en place
du premier échangeur permet d’écono-
miser 6,2 MW, soit 78 % du gain maxi-
mal possible. Le rendement s’améliore
encore en installant d’autres échangeurs
(figure 2) puis plafonne à 8 MW à partir
du quatrième. À en juger par la réaction
de l’exploitant, ces résultats ont été qua-
lifiés de réalistes et convaincants : la troi-
sième solution consistant en l’installation
de 3 nouveaux échangeurs a déjà été
mise en œuvre sur le site et l’ajout d’un
quatrième échangeur est actuellement
en cours de chiffrage.
FIGURE 2
Économie d’énergie
thermique selon le nombre
d’échangeurs installés
4. La consommation thermique correspond ici à la consommation de chaleur sous forme de vapeur et de gaz.
0
1
0
2
8
7
Économied’énergie(MW)
6
5
4
3
1 2 3 4 5
Nombre de nouveaux échangeurs d’intégration
Solution
mise en oeuvre
sur le site
Solution
actuellement
à l’étude
DANS LES USINES 4.0,
UNE NOUVELLE GÉNÉRATION
DE RÉSEAUX D’ÉCHANGEURS
FLEXIBLES
Notre outil apporte aux exploitants
industriels une aide à la décision
afin qu’ils trouvent une solution
de récupération adaptée à leur
contexte local. Il montre au pas-
sage pourquoi les technologies de
simulation numérique ont parfois
un rôle décisif pour enclencher la
transition énergétique d’installa-
tions existantes.
Mais il y a plus. L’usine « du
futur » doit en effet répondre à des
exigences de flexibilité accrues :
elle doit par exemple s’adapter
à des gammes de PVC différentes
dans une usine de production
ou encore traiter plusieurs types
de pétrole brut dans une raffinerie.
Les communautés scientifiques
et industrielles songent donc à des
agencements de réseaux d’échan-
geurs capables de se reconfigu-
rer, pour répondre à ces variations
et absorber des aléas fréquents
de température ou de débit. Les
outils de simulation seront indis-
pensables pour améliorer la per-
formance des réseaux dans divers
régimes de production et aider les
exploitants à mettre en place des
solutions de nouvelle génération.
Efficacité énergétique : les promesses du numérique 3
En savoir plus
Ce texte est tiré de la thèse de doctorat de Lucille Payet, lauréate du prix
de thèse remis par La Fabrique dans le cadre du concours 2019 pour étudiants
et jeunes chercheurs.
Raphaële Hétreux, Lucille Payet, Gilles Hétreux, Pascal Floquet. 2019.
Projet RREFLEX : Outil logiciel dédié à la synthèse de réseaux d’échangeurs
de chaleur flexibles – Reconfiguration totale ou remodelage partiel du réseau existant.
Cet ouvrage est disponible en ligne https://www.ademe.fr/mediathèque.
Lucille Payet est coordinatrice de projets collectifs chez ALLICE, Raphaële
Hétreux, Gilles Hétreux et Pascal Floquet sont enseignant chercheurs
au laboratoire de génie chimique Toulouse INP à l’Université de Toulouse.
Projet réalisé au laboratoire de génie chimique de Toulouse et financé
par l’Ademe et Total dans le cadre du 8e
appel à manifestation d’intérêt
« efficacité énergétique dans l’industrie ».
Pour réagir à ce Cube, n’hésitez pas à nous contacter :
info@la-fabrique.fr
Installation
de 1 à 4
échangeurs
Économie
d’énergie thermique
de 6 à 8 MW
Réduction
de près de 8 %
de la consommation
thermique totale
Chiffres-clés
ÉCONOMIE DE 6 À 8 MW POUR UN À QUATRE
ÉCHANGEURS INSTALLÉS SUR LE SITE DE VYNOVA
La Fabrique de l’industrie
81 boulevard Saint-Michel – 75005 Paris
www.la-fabrique.fr
FOCUS
Un échangeur de chaleur permet de transférer de l’énergie thermique d’un fluide
vers un autre sans les mélanger. Les deux fluides sont séparés par une surface qui
laisse passer le flux thermique du fluide à l’autre pour modifier leur température.

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Efficacité énergétique : Les promesses du numérique

  • 1. 1 Les Synthèses de La Fabrique Mai 2020 No Efficacité énergétique : Les promesses du numérique LUCILLE PAYET, RAPHAËLE HETREUX, GILLES HETREUX, PASCAL FLOQUET L’EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE DES PROCÉDÉS INDUSTRIELS, DE LA THÉORIE À LA PRATIQUE Pour atteindre en 2050 la neutralité carbone inscrite dans la loi énergie-climat, le Gouvernement s’est fixé pour objectif de réduire la consommation d’énergie en France de 40 % d’ici 2030. Le secteur industriel, qui représente 20 % de la consommation énergétique finale1 , doit contribuer significativement à cette économie. Les sites industriels les plus gourmands en énergie sont notamment ceux qui transforment la matière, comme on en trouve dans les in- dustries chimique, pétrochimique, pharmaceutique, agroalimentaire … Sur place, des fluides sont soumis à des changements de température ou d’état (conversion de liquide en vapeur par exemple), ce qui consomme de l’énergie par endroits et en libère en d’autres. On peut dès lors optimiser la consommation du site industriel en recyclant cette énergie, notamment en récupérant la chaleur produite à un endroit pour chauffer un fluide froid situé ailleurs via un échangeur de chaleur, qui transfère l’énergie thermique d’un fluide vers un autre sans les mélanger. Nous avons développé un logiciel qui propose à l’exploitant industriel des solutions pragmatiques de réduction de consommation d’énergie thermique respectant les contraintes du site. Des outils logiciels qui facilitent la rénovation thermique De premiers cas d’école Dans les usines 4.0, une nouvelle génération de réseaux d’échangeurs flexibles 1 2 3 © iStock/kontrast-fotodesign
  • 2. DES OUTILS LOGICIELS QUI FACILITENT LA RÉNOVATION THERMIQUE L’optimisation de la consommation éner- gétique a fait l’objet de nombreux travaux théoriques qui restent à ce jour assez peu mis en pratique par les industriels. Pourquoi ? Parce que les solutions tech- niques proposées, certes performantes, reposent le plus souvent sur une refonte intégrale du procédé existant et ignorent les solutions de récupération énergétique déjà installées conduisant alors à des coûts d’installation élevés. Par ailleurs, ces propositions ne tiennent pas toujours compte des contraintes propres aux sites étudiés, liées par exemple au réaménage- ment du site, à l’incompatibilité des flux, à la variabilité des procédés … En conséquence de quoi on ne trouve souvent, sur les sites industriels, que des systèmes de récupération de chaleur ad hoc, résultant d’aménagements suc- cessifs plus que d’un réel processus d’op- timisation. De tels systèmes s’avèrent sous-optimaux et des économies d’énergie significatives restent possibles2 . En cherchant à exploiter les données accessibles sur site, nous avons déve- loppé une méthode d’analyse avancée qui aboutit à une modélisation digi- tale du site industriel. Notre travail de recherche montre en effet que le recours à l’outil informatique3 permet de dépas- ser les limites des systèmes de récu- pération jusqu’alors développés. Plus précisément, il permet de proposer des solutions concrètes améliorant l’effica- cité énergétique mais aussi la flexibilité et la robustesse des procédés. Les exploi- tants peuvent bâtir par essais successifs une solution qui respecte leurs contraintes techniques et économiques. Ils obtien- nent même un éventail de solutions, plus ou moins coûteuses pour une réduction plus ou moins forte de la consommation énergétique : très schématiquement, plus on installe un grand nombre d’échangeurs nouveaux, plus on augmente l’investisse- ment initial mais plus on réduit les coûts opérationnels à venir. Ce qui est essentiel, c’est que ces confi- gurations proposées partent de l’existant et non d’une feuille blanche. Elles peuvent consister par exemple à retirer des échan- geurs offrant une trop faible récupération FIGURE 1 Principe de récupération de chaleur 1. Bilan énergétique de la France pour 2018 : https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/sites/ default/files/2020-01/datalab-64-bilan-energetique-france-2018-janvier2020.pdf, p. 87. 2. Ces économies d’énergie sont diagnostiquées à l’aide d’une analyse systématique appelée analyse pincement développée au début des années 80. 3. En pratique, nous avons développé deux composants logiciels. Le premier permet de collecter un jeu de don- nées historiques en température, pression et débit sur un horizon représentatif du fonctionnement du procédé (EDiFy : Enhanced Data Collection For Flexibility Analysis). Le second propose à l’exploitant un ensemble de solutions de remodelage (RREFlex : remodelage de réseau d’échangeurs de chaleur flexibles). Matières premières (ex : huile à 50°C) Huile chauffée à 150°C Huile raffinée à 170°C Huile raffinée refroidie à 25°C Apport de froid (coût : €€ – rejet CO² : ++) Vers cuve de stockage Préchauffage du mélange Traitement Refroidissement du produit Apport de chaleur (coût : € – rejet CO² : ++) Avec récupération de chaleur Matières premières (ex : huile à 50°C) Huile chauffée à 150°C Huile raffinée à 170°C Apport de froid (coût : € – rejet CO² : +) Préchauffage du mélange Traitement Refroidissement du produit Huile raffinée refroidie à 70°C Huile raffinée refroidie à 25°C Vers cuve de stockage Sans récupération de chaleur Efficacité énergétique : les promesses du numérique2 1Mai 2020 No
  • 3. énergétique, pour les mettre ailleurs ou les remplacer par d’autres, afin d’obtenir une récupération de chaleur plus efficace. DE PREMIERS CAS D’ÉCOLE Nous avons éprouvé l’utilité de ces logiciels en les appliquant à trois unités industrielles : un atelier de production de biodiesel à partir d’huile de colza, un train de préchauffe de pétrole brut (société Total) et un site de production de mono-chlorure de vinyle (société Vynova). Pour des raisons de confiden- tialité, nous ne présentons ici que les résultats tirés de ce dernier cas. La consommation thermique4 de cette installation s’élève à 108 MW environ, dont 16 MW de vapeur et 92 MW de gaz pour les unités de craquage. Les configu- rations viables proposées par l’outil logi- ciel consistent à remanier les échangeurs déjà installés et à en ajouter de nouveaux. L’économie d’énergie thermique attendue varie entre 6 et 8 MW pour un à quatre échangeurs ajoutés, ce qui représente près de 50 % de la consommation en vapeur du site et près de 8 % de la consomma- tion thermique totale. La mise en place du premier échangeur permet d’écono- miser 6,2 MW, soit 78 % du gain maxi- mal possible. Le rendement s’améliore encore en installant d’autres échangeurs (figure 2) puis plafonne à 8 MW à partir du quatrième. À en juger par la réaction de l’exploitant, ces résultats ont été qua- lifiés de réalistes et convaincants : la troi- sième solution consistant en l’installation de 3 nouveaux échangeurs a déjà été mise en œuvre sur le site et l’ajout d’un quatrième échangeur est actuellement en cours de chiffrage. FIGURE 2 Économie d’énergie thermique selon le nombre d’échangeurs installés 4. La consommation thermique correspond ici à la consommation de chaleur sous forme de vapeur et de gaz. 0 1 0 2 8 7 Économied’énergie(MW) 6 5 4 3 1 2 3 4 5 Nombre de nouveaux échangeurs d’intégration Solution mise en oeuvre sur le site Solution actuellement à l’étude DANS LES USINES 4.0, UNE NOUVELLE GÉNÉRATION DE RÉSEAUX D’ÉCHANGEURS FLEXIBLES Notre outil apporte aux exploitants industriels une aide à la décision afin qu’ils trouvent une solution de récupération adaptée à leur contexte local. Il montre au pas- sage pourquoi les technologies de simulation numérique ont parfois un rôle décisif pour enclencher la transition énergétique d’installa- tions existantes. Mais il y a plus. L’usine « du futur » doit en effet répondre à des exigences de flexibilité accrues : elle doit par exemple s’adapter à des gammes de PVC différentes dans une usine de production ou encore traiter plusieurs types de pétrole brut dans une raffinerie. Les communautés scientifiques et industrielles songent donc à des agencements de réseaux d’échan- geurs capables de se reconfigu- rer, pour répondre à ces variations et absorber des aléas fréquents de température ou de débit. Les outils de simulation seront indis- pensables pour améliorer la per- formance des réseaux dans divers régimes de production et aider les exploitants à mettre en place des solutions de nouvelle génération. Efficacité énergétique : les promesses du numérique 3
  • 4. En savoir plus Ce texte est tiré de la thèse de doctorat de Lucille Payet, lauréate du prix de thèse remis par La Fabrique dans le cadre du concours 2019 pour étudiants et jeunes chercheurs. Raphaële Hétreux, Lucille Payet, Gilles Hétreux, Pascal Floquet. 2019. Projet RREFLEX : Outil logiciel dédié à la synthèse de réseaux d’échangeurs de chaleur flexibles – Reconfiguration totale ou remodelage partiel du réseau existant. Cet ouvrage est disponible en ligne https://www.ademe.fr/mediathèque. Lucille Payet est coordinatrice de projets collectifs chez ALLICE, Raphaële Hétreux, Gilles Hétreux et Pascal Floquet sont enseignant chercheurs au laboratoire de génie chimique Toulouse INP à l’Université de Toulouse. Projet réalisé au laboratoire de génie chimique de Toulouse et financé par l’Ademe et Total dans le cadre du 8e appel à manifestation d’intérêt « efficacité énergétique dans l’industrie ». Pour réagir à ce Cube, n’hésitez pas à nous contacter : info@la-fabrique.fr Installation de 1 à 4 échangeurs Économie d’énergie thermique de 6 à 8 MW Réduction de près de 8 % de la consommation thermique totale Chiffres-clés ÉCONOMIE DE 6 À 8 MW POUR UN À QUATRE ÉCHANGEURS INSTALLÉS SUR LE SITE DE VYNOVA La Fabrique de l’industrie 81 boulevard Saint-Michel – 75005 Paris www.la-fabrique.fr FOCUS Un échangeur de chaleur permet de transférer de l’énergie thermique d’un fluide vers un autre sans les mélanger. Les deux fluides sont séparés par une surface qui laisse passer le flux thermique du fluide à l’autre pour modifier leur température.