Analysis and retrofit methodology for energy efficiency improvements of industrial processes

A la veille d’une nouvelle conférence sur le climat, les questions environnementales demeurent plus que jamais au premier plan de la vie publique. La lutte contre le réchauffement climatique, et les émissions de gaz à effet de serre, dont l’attribution à l’activité humaine fait globalement l’objet d’un consensus scientifique, constituent l’un des plus grands défis de l’humanité pour les prochaines années. Dans ce contexte, l’amélioration de l’efficacité énergétique des sites de production est une des préoccupations des industriels. Les réglementations environnementales, et les fluctuations des cours de l’énergie les forcent à continuellement améliorer leurs procédés pour en maintenir la compétitivité. Ceux-ci doivent ainsi pouvoir disposer d’outils leur permettant d’effectuer des diagnostics énergétiques sur les installations, leur facilitant la prise de décision et leur permettant d’élaborer des solutions d’efficacité énergétique sur leurs sites industriels. Les travaux présentés dans ce document visent à introduire une méthodologie d’analyse et de rétro-conception pour l’amélioration énergétique des procédés industriels. Cette méthodologie, qui s’appuie sur une utilisation combinée de la méthode du pincement et de l’analyse exergétique, se décompose en trois grandes étapes : la première comprend le recueil des données, la modélisation et la simulation du procédé. La deuxième étape, dédiée à l’analyse du procédé, est elle-même divisée en deux phases. La première, qui s’appuie pour l’essentiel sur l’utilisation de la méthodologie du pincement, s’intéresse uniquement à l’analyse du système de fourniture et de récupération de l’énergie thermique. Si cela s’avère nécessaire, le procédé complet est étudié dans une deuxième phase. L’analyse pincement se limitant à l’étude des procédés thermiques, une méthodologie d’analyse exergétique est mise en œuvre. Cette méthodologie s’appuie sur l’implémentation de l’analyse exergétique dans l’environnement ProSimPlus, entreprise par Ali Ghannadzadeh, et poursuivie pendant cette thèse. Les formules d'exergie ont été affinées pour s’ajuster aux différents modèles thermodynamiques. L’approche d’analyse proposée dans ce manuscrit est basée sur l’utilisation d’une nouvelle représentation graphique des bilans exergétiques : le ternaire exergétique. Ce dernier permet d’illustrer tous les aspects des bilans exergétiques et ainsi d'assister l’ingénieur dans l’analyse du procédé. La troisième étape s’intéresse à la conception pour l’amélioration énergétique. Alors que l’analyse du pincement propose des solutions d’amélioration, l’analyse exergétique ne le permet pas. Elle nécessite l’apport d’une certaine expertise pour aboutir au développement de solutions d’améliorations. Pour pallier ce problème, l’expertise est en partie capitalisée dans un système de raisonnement à partir de cas. Ce système permet de proposer des solutions à des problèmes nouveaux en analysant les similarités avec des problèmes anciens. Cet outil se révèle utile pour définir des solutions locales d’améliorations énergétiques. L’analyse du pincement associée à des outils numériques est ensuite utilisée pour concevoir des propositions complètes d’améliorations. La seconde partie de ce manuscrit présente cette étape.On the eve of a new conference on climate change, environmental issues remain more than ever at the forefront of public life. Tackling climate change, and reducing greenhouse gases emissions, that are largely attributable to human activity, represents one of the biggest challenges for humanity in the coming years. In such a context, the promotion of best practices to enable an efficient utilization of energy has emerged as one of the major point of focus. High volatility of energy prices and the increasingly stringent environmental regulations have forced industrials to continuously improve their processes in order to cut the energy consumption down and reduce GHG emissions. For this purpose, industrials need tools to perform energy audits on facilities, to ease decision-making and to enable them to develop their energy efficiency solutions on their sites. In this context, the study presented in this dissertation aims at introducing a new systematic procedure for energy diagnosis and retrofit of industrial processes. This methodology presented in this dissertation is divided into three stages: the first involves the data collection, the modeling and simulation of the process. The second stage, dedicated to the analysis of the process, is subdivided into two phases. The first, which is essentially relying on the Pinch methodology, is only concerned with the analysis of the thermal energy supply and recovery system. If necessary, the complete process is studied in the second phase of the analysis. Pinch analysis being limited to the analysis of thermal systems, an exergy analysis methodology is then implemented. This methodology is based on the implementation of the Exergy analysis in the ProSimPlus modelling and simulation environment, undertaken by A. Ghannadzadeh, and pursued in this study. The formulas proposed by Ali Ghannadzadeh have been adjusted to take into account different thermodynamic approaches. A new graphical representation of exergy balances, the exergetic ternary diagram, is also introduced to assist engineers in the analysis process. It enables to illustrate all aspects of exergy balances, i.e. the irreversibility, the exergy losses and the exergy efficiencies of each unit operation. The automation of this new graphical layout was made possible by the implementation of a generic exergy efficiency in the simulator. This analysis paves the way to the third step of the overall methodology dedicated to retrofitting. This methodology is detailed in the first part of this dissertation. While Pinch analysis proposes improvement solutions, the Exergy analysis does not. The key to achieving a significant exergy analysis lies in the engineer’s ability to propose alternatives for reducing thermodynamic imperfections, thus exergy analysis is supposed to be undertaken by an experienced user. To overcome this problem, the expertise is partly capitalized in a case-based reasoning system. This system allows the proposition of solutions to new problems by analyzing the similarities with solved problems. This tool is useful for defining local solutions for energy improvements. The Pinch analysis combined to numerical tools is then used to develop alternatives. This third step is developed in the third part of the manuscript