Nouvelles approches de modélisation dynamique pour l’optimisation 3E (Exergie, Économie, Environnement) de la conception de systèmes de valorisation de la chaleur fatale industrielle

Sustainability of industrial heat decarbonisation strategies through 4E (energy, exergy, economic and environmental) optimisation

• Auteur / Autrice : Yoann Jovet
• Direction : Marc Clausse, Frédéric Lefèvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Natacha Gondran
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Clausse, Frédéric Lefèvre, Natacha Gondran, Vincent Lemort, Anne Prieur-Vernat, Martin K. Patel, Alexis Laurent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Natacha Gondran, Vincent Lemort

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décarbonation

Électricité

Industrie -- Consommation d'énergie

Mots clés libres

Energétique

Energie électrique

Optimisation multiobjectif

Procédure industrielle

Soutenabilité

Evaluation environnementale

Décarbonation industrielle

Impact environnemental

Rendement énergétique

Rendement exergétique

Production de charleur

Modélisation dynamique

Transition énergétique

Décarbonation

Energetic

Electrical energy conversion

Multi-Objective optimisation

Industrial process improvement

Sustainability

Environmental assessment

Industrial decarbonization

Environmental impact

Energy Efficiency

Exergy yield

Heat production

Dynamic modeling

Energetic transition

Decarbonization

Résumé

Ces travaux ont pour but d’évaluer la performance annuelle globale de différentes solutions de production de chaleur industrielle, par une méthode multicritère 4E (énergie, exergie, économie et environnement). Au-delà de cette évaluation, le travail proposé porte également sur le développement d’une méthode originale permettant de prendre en compte les limites planétaires dans la prise de décision visant à remplacer un moyen de production (généralement chaudières à gaz) par une solution moins carbonée. L’atteinte de cet objectif a conduit au développement d’un modèle d’optimisation génétique multi-objectif original combinant critères technico-économiques et environnementaux, basés sur une approche par Analyse de Cycle de Vie (ACV). Afin d’être en mesure d’évaluer les transformations à l’échelle d’un secteur industriel, différents pays européens sont considérés sur trois périodes comprises entre 2015 et 2090 pour intégrer les évolutions de contraintes sur les émissions de GES et la disponibilité de technologies de capture et stockage de carbone (CCS). Une approche par regroupement (clustering) est proposée pour réduire l’étude à 100 pas de temps représentatifs de l’année afin de limiter le temps de calcul. Une étude de sensibilité a été menée pour classer l’ensemble des solutions non-dominées trouvées par l’algorithme, aucune de ces solutions n’étant soutenable sur l’ensemble des critères environnementaux. Pour ce faire, trois approches d’évaluation sont proposées : R1 (Référence ACV de pondérations), R2 (pénalisation linéaire du dépassement des limites planétaires), et R3 (pénalisation exponentielle de ces limites et pénalisation du CCS). Pour le classement R1, la technologie la plus performante est la pompe à chaleur, complétée par la chaudière biomasse quand le CCS devient suffisamment développé. Pour les méthodes R2 et R3, on observe des combinaisons de technologies qui dépendent du mix électrique : combinaison pompe à chaleur et chaudière gaz pour les mix majoritairement renouvelables ou chaudière biomasse pour les mix basés sur le nucléaire.

The aim of this work is to assess the overall annual performance of different industrial heat production solutions, using a multi-objective 4E method (energy, exergy, economy and environment). The annual dynamics of industrial demand and energy supply are taken into consideration in the approach. All the energy sources used to cover this demand (including those used to produce electricity) are studied on an hourly basis, including their environmental impacts and costs. This approach is in line with strategies to reduce greenhouse gas (GHG) emissions, by incorporating a more complete range of analyses, based on life cycle analysis, quantifying the reduction in the climate impact of the solutions considered, as well as their synergy or counterbalance with other environmental impacts. As the analysis is multi-criteria, it is possible to find a set of feasible, non-dominated solutions that meet the optimisation problem, also known as the Pareto front. These non-dominated solutions represent the best possible solutions within the scope of the criteria studied but are not necessarily sustainable from an environmental point of view. The multi-criteria analysis is therefore supplemented by an analytical framework based on global limits and the importance of the industrial sector under consideration in relation to all human activities, which can be used to rank the different solutions. The methodology is applied to the European case for three reference industrial processes. Five countries with an electricity mix representative of the different trajectories envisaged in 2050 are selected. While it may be possible to meet GHG emission reduction commitments in most of these cases, the economic and environmental trade-offs are not all in line with global limits. It may therefore be necessary to find compromises with other sectors of activity to compensate for these excesses.