Conception Optimale des Réseaux de Ressources pour le Développement des Pars Eco-Industriels

Optimal Design of Resource Networks for the Development of Eco-Industrial Parks

• Auteur / Autrice : Florent Mousqué
• Direction : Stéphane Negny, Marianne Boix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Industriel
• Date : Soutenance le 11/03/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Serge Domenech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Negny, Marianne Boix, Nicolas Mat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mauricio Camargo-Pardo, Sylvain Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation globale

Flexibilité du travail

Éco-industries

Mots clés libres

Parc Eco-Industriel

Ecologie industrielle

Optimisation Multi-objectif

Complexité

Interdépendance

Flexibilité

Eco-Industrial Park

Industrial Ecology

Multi-objective Optimization

Complexity

Interdependence

Flexibility

Résumé

Dans le contexte sociétal et écologique actuel, il devient urgent de reconcevoir nos systèmes industriels de manière à ce qu’ils puissent concilier gains économiques et respect de l’environnement. C’est précisément la vocation des parcs éco-industriels (EIP) qui reposent sur le fait de rassembler différentes industries au sein d’un même site. Cette proximité permet aux industries de créer un réseau afin d’optimiser l’usage de leurs ressources, en échangeant différents flux (matières, énergies, déchets) et en mutualisant leurs équipements. Néanmoins, ce concept popularisé dans les années 1990, en plein essor dans de nombreux pays industrialisés, peine encore à se pérenniser en France. Les principaux freins limitants ce développement sont identifiés dans le premier chapitre de ces travaux de thèse, parmi lesquels : - Des avantages financiers méconnus ; - Une complexité du système industriel accrue ; - Une dépendance forte avec les autres industries du réseau ; - Une dépendance forte avec les autres industries du réseau ; - Les risques liés aux défaillances et perturbations qui se propagent à travers le réseau ; A l’heure actuelle, les EIP existants se sont principalement construits, au fur à mesure, de manière auto-évolutive et sous optimale. De plus, parmi les études scientifiques qui traitent du développement des EIP, seulement une minorité porte sur les méthodes d’optimisation. Ainsi, en apportant des outils de conception basés sur la programmation mathématique, cette thèse vise à développer une procédure de modélisation et d’optimisation multi-objectif, pour la conception d’EIP durables, en prenant en compte les freins identifiés. Pour ce faire, un modèle mathématique multi-période permettant la conception optimale du réseau d'énergies (électricité, vapeurs) d’un EIP est développé, selon une approche systémique. Ce modèle se veut générique puisqu’il peut être adapté tant à la conception initiale d'un nouvel EIP qu’à la re-conception d'un réseau existant. La formulation linéaire du modèle (MILP) permet de traiter des problèmes de grande taille. Sur un premier cas d’étude, le coût du réseau est minimisé. Sur un second, l’optimisation est multiobjectif et l’impact environnemental (quantifié par Analyse du Cycle de Vie) de la production d’électricité est également minimisé. La suite des travaux se consacre à l’élaboration de différentes procédures d’optimisation multi-objectif qui visent à lever les freins au développement des EIP précédemment identifiés. Une première procédure minimise la complexité du réseau en réduisant le nombre d’interconnexions. Les solutions obtenues privilégient quelques interconnexions de forts débits, ce qui pose la question de l’interdépendance des industries. Ainsi, dans l’étude suivante, c’est une procédure est développée de manière à minimiser cette interdépendance à l’échelle du réseau. Enfin pour garantir que les réseaux conçus selon des conditions opératoires nominales puissent faire face à des perturbations non prévues initialement, une procédure est développée pour concevoir des réseaux flexibles. L’ensemble de ces procédures sont mises au point de manière à être adaptées à résoudre des problèmes de grandes tailles

In the current societal and ecological context, it is becoming urgent to redesign our industrial systems in order to conciliate economic gains and environmental protection. This is precisely the objective of eco-industrial parks (Eco-Industrial Park, EIP), in which industries are grouped together on the same site. This vicinity allows industries to create a network to optimize the use of their resources by exchanging different flows (materials, energy, waste) and by pooling their equipment. Nevertheless, this concept, popularized in the 1990s and rapidly expanding in many industrialized countries, is still struggling to be sustained in France. The main obstacles limiting this development are identified in the first chapter of this thesis work, among which are the following: - Financial advantages unknown by industrialists; - Increased complexity of the industrial system; - A strong dependence with the other industries of the network; - Failures and disturbances that spread throughout the network; Currently, the existing EIPs have mainly been built, step by step, in a self-evolving and suboptimal way. Moreover, among the scientific studies that deal with the development of EIPs, only a minority focus on optimization methods. Thus, by providing design tools using mathematical optimization, this thesis aims to develop a multi-objective modeling and optimization procedure for the design of sustainable EIPs, taking into account the identified obstacles. To do so, a multiperiod mathematical model allowing the optimal design of the energy network (electricity, steam) of an EIP is developed, according to a systemic approach. This model is meant to be generic since it can be adapted to the initial design of a new EIP as well as to the redesign of an existing network. The linear formulation of the model makes it possible to deal with large problems. On a first case study, the cost of the network is minimized. In a second case, the optimization is multiobjective and the environmental impact (quantified by Life Cycle Assessment) of the electricity production is also minimized. Further work is devoted to the development of different multi-objective optimization procedures that aim to remove the obstacles to the development of EIP previously identified. A first procedure minimizes the complexity of the network by reducing the number of interconnections. The solutions obtained favor a few high flow interconnections, which raises the question of the interdependence of industries. Thus, in the following study, a procedure is developed in order to minimize this interdependence at the scale of the network. Finally, to ensure that networks designed according to nominal operating conditions can cope with disturbances not initially foreseen, a procedure is developed to design flexible networks. All of these procedures are developed in such a way that they are adapted to solve large scale problems.