Vers une gestion durable des ressources : une approche d'ingénierie des systèmes de processus pour les interfaces eau-énergie-alimentation

Towards sustainable resource management : a process systems engineering approach for water energy food nexus

• Auteur / Autrice : Daniel Peña-Torres
• Direction : Ludovic Montastruc, Marianne Boix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/04/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Negny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ludovic Montastruc, Marianne Boix, Stéphane Negny, Didier Aussel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mauricio Camargo, Rallou Thomopoulos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alimentation

Énergie

Eau

Approvisionnement

Mots clés libres

Nexus eau-énergie-alimentation

Optimisation multiobjectif

Allocation des ressources

Analyse de système multi-agent

Outils d'aide à la décision multicritère

Procédés et systèmes industriels

Water-energy-food nexus

Multi-objective optimization

Resource allocation

Multi-agent system analysis

Multi-criteria decision analysis methods

Process systems engineering

Résumé

L'eau, l'énergie et l’alimentation sont des ressources essentielles pour l’être humain, et sont nécessaires pour garantir le développement économique et atteindre les objectifs de développement durable. La demande mondiale de ces ressources augmente régulièrement en raison de la croissance démographique et du changement climatique. Par rapport à 2012, la dépendance à l'eau, l'énergie et l'alimentation devrait augmenter respectivement de 40, 50 et 35% d'ici à 2050. Il est prévu que l'atmosphère continue à se réchauffer au cours du XXIe siècle, ce qui exercera une pression croissante sur l'utilisation de l'énergie, la disponibilité de l'eau et la production alimentaire. Ces pressions peuvent entraîner des conflits, comme la compétition pour l’accès à des terres et des ressources contestées. Afin de garantir un accès sécuritaire à l'eau, l'énergie et l’alimentation pour le développement humain, les parties prenantes et les décideurs politiques doivent considérer les différentes vulnérabilités lors de l'élaboration de stratégies visant à réduire les risques climatiques. En outre, l'eau, l'énergie et l’alimentation sont étroitement liées et leurs chaînes d'approvisionnement présentent à la fois des synergies et des compromis. Le lien entre ces trois ressources et l'étude de leur interdépendance a été désigné dans la littérature sous le nom de ''Water Energy Food Nexus'' (WEFN). Cette thèse explore les systèmes eau-énergie-alimentation abordés sous l'angle de la communauté Procédés et Systèmes Industriels (PSI), en s’intéressant aux interdépendances complexes de ces systèmes et les potentiels conflits le long de leur chaîne d'approvisionnement.

Water, energy, and food are critical resources required to meet basic human needs, ensure economic development, and achieve sustainable development goals. Global demand for these resources is steadily rising due to population growth and climate change. Compared to their 2012 values, reliance on water, energy, and food is projected to increase respectively by 40, 50, and 35 percent by the year 2050. In addition, it is expected that the atmosphere will continue to warm up during the twenty-first century, putting even more pressure on energy use, water availability, and food production. These pressures can result in conflicts, for example, over disputed land and resources. To ensure safe access to water, energy, and food for human development, it is important for planners and policy makers to incorporate various vulnerabilities when designing strategies to reduce climate risks. Moreover, water, energy, and food are highly interrelated, presenting both synergisms and trade-offs along their supply chains. The connection of these three resources and the study of their interdependencies has been referred to in the literature as the Water Energy Food Nexus (WEFN). This dissertation explores the Water Energy Food Nexus, examining the intricate interdependencies and potential conflicts along their supply chain.Within the challenges present in WEFN systems, effective decision-making tools are indispensable. Process Systems Engineering (PSE) tools offer promising avenues for managing WEFN systems. This thesis conducts a thorough literature review, identifying gaps in existing optimization models for WEFN management. Subsequently, a generic multi-objective optimization model is formulated and applied to a real-case study at a regional scale, with sensitivity analyses revealing diverse scenarios. Recognizing the roles of various agents and actors within WEFN systems, a multi-agent analysis, coupled with a multi-criteria decision analysis is executed. The tools and methodologies developed in this study not only contribute to the PSE community, but also provide benchmarks for a comparative analysis of WEFN systems. This research emphasizes the vital role of PSE in addressing complexities of WEFN systems, offering insights for planners and policymakers dealing with the critical interdependencies of water, energy, and food resources.