Gestion intégrée de l'énergie et de la production : ordonnancement des Procédés Batch et des centrales de cogénération

Integrated management of energy and production : scheduling of batch process and Combined Heat & Power (CHP) plant

• Auteur / Autrice : Mujtaba Hassan Agha
• Direction : Jean-Marc Le Lann, Alain Haït
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Industriel
• Date : Soutenance le 30/10/2009
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés libres

Efficacité énergétique

Recherche opérationnelle

Ordonnancement

Procédés batch et semi-continus

Formalisme ERTN

Centrale de cogénération

Milp

Energy efficiency

Operational research

Scheduling

Batch and semi-continuous processes

ERTN formalism

Cogeneration plant

Milp

Résumé

Dans un contexte de développement durable, la question énergétique constitue un des problèmes majeurs des décennies à venir. Bien que la solution pour faire face à la raréfaction de certaines ressources, l'augmentation globale de la demande l'augmentation des émissions de CO2, réside dans le développement des énergies renouvelables, il est clair que ces nouvelles technologies ne seront matures que dans plusieurs décennies. A court terme, les énergies fossiles demeureront la source principale d'énergie primaire. Il est donc essentiel de promouvoir de nouvelles méthodologies permettant une utilisation plus rationnelle de l'énergie. Dans le secteur industriel, le développement de centrales de production d'utilités sur le site industriel (en général des centrales de cogénération) contribue grandement à l'amélioration de l'efficacité énergétique des procédés. Traditionnellement, la gestion de ce type de système repose sur une approche séquentielle : ordonnancement de l'atelier de production, calcul des besoins énergétiques et planification de la centrale de cogénération. Toutefois, dans ce type d'approche, l'accent est mis avant tout sur l'atelier de production, la centrale de cogénération étant considérée comme une unité esclave. Pour améliorer le processus de décision, cette thèse développe une approche intégrée pour l'ordonnancement simultanée et cohérent des ateliers de production et des centrales de production d'utilités. La méthodologie proposée repose sur une formulation MILP à temps discret. Par ailleurs, une extension du formalisme RTN a été développée : les ERTN ("Extended Resource Task Network"). Celui-ci permet d'une part, de décrire de manière systématique les recettes et d'autre part, permet une modélisation explicite et générique des différents types de systèmes dont notamment les centrales d'utilités. Les résultats montrent que l'approche intégrée permet d'obtenir une réduction notable du coût énergétique grâce une meilleure coordination des activités de production et de fabrication d'utilités. En effet, les tâches de production sont ordonnancées de manière à consommer sur les mêmes périodes les utilités générées simultanément par la centrale de cogénération, conduisant ainsi à une réduction significative du rapport quantité de biens fabriqués / quantité de carburant consommé et des émissions de gaz à effet de serre.

The issue of energy has emerged as one of the greatest challenges facing the mankind. The search is on for finding alternative sources of energy that will replace fossil fuels as the primary source of energy. However, for the foreseeable future, fossil fuels will remain the main source of energy. Therefore, it is of paramount importance to devise methodologies for more rational use of energy in all walks of human life. In the industrial perspective, the deployment of site utility system (generally CHP plants) provides a great potential source for energy savings. However, the management of such type of industrial units is traditionally carried out using sequential three step approach: scheduling of the production plant, estimation of the utility needs of production plant and finally scheduling of the site utility system. In this kind of approach, all the focus is placed on the production plant and the utility system is treated as its subsidiary. To improve the decision-making process, this thesis proposes an integrated approach which addresses this imbalance by carrying out simultaneous and coherent scheduling of batch production plant and site utility system. The proposed methodology relies on discrete time modeling and uses Mixed Integer Linear Programming (MILP). Moreover, to permit an efficient and generic formulation of various kinds of industrial problems, a new scheduling framework called Extended Resource Task Network (ERTN) has been developed. The ERTN framework (an extension of existing RTN framework) allows for accurate representation and scheduling of any type of production plant and any type of site utility system. The results show that the integrated approach leads to better synchronization between production plant and site utility system. Thereby, the integrated approach leads to significant reduction in energy costs and decrease in harmful gas emissions.