La méthode du Pincement a été développée et utilisée dans le secteur de la pétrochimie. Le nombre de flux y est important et la consommation énergétique est un critère décisionnel fort. D'autres secteurs énergivores tels la métallurgie, la production de papier et de pâte à papier ou l'industrie agroalimentaire peuvent bénéficier de cette approche structurée. Par ailleurs, l'intégration d'utilités thermodynamiques complexes comme les pompes à chaleur ou les unités de cogénération peut réduire significativement la consommation d'énergie d'un procédé, sans avoir à en modifier la technologie.Un algorithme de conception d'un réseau d'échangeurs à partir de flux thermiques à été choisi dans la littérature, puis deux fonctionnalités lui ont été ajoutées : la différenciation des technologies d'échangeur et la prise en compte de flux "disponibilités" à température de sortie variable. Un module de présélection a été développé pour proposer et dimensionner des utilités thermodynamiques à partir de la grande courbe composite et d'un critère exergétique. Il est utilisé en amont de la conception du réseau d'échangeurs.Ces deux algorithmes ont été intégrés dans un logiciel dédié à l'intégration énergétique de procédés à partir des flux thermiques des opérations unitaires. Plusieurs validations ont été faites sur des cas théoriques de référence issus de la littérature ainsi que sur des cas industriels réels nécessitant la modélisation des procédés. L'enchainement des deux algorithmes débouche sur l'obtention de résultats concrets et technologiquement réalistes. L'amélioration apportée par les solutions est calculable à chaque étape. / The pinch analysis has been developed and exploited in the petrochemical sector. There are numerous heat fluxes and energy consumption is a strong decision criterion. Other energy-intensive sectors such as metallurgy, pulp and paper and food & drink industry can benefit from this systemic approach. Moreover, integration of complex thermodynamic utilities such heat pumps or Combined Heat and Power units can significantly reduce the energy consumption of a process, without having to interfere with the process technology.An algorithm for heat exchangers network design from heat fluxes was chosen in the literature and two features were added to it: Ability to pick different heat exchanger technology and creation of "availabilities" heat fluxes whose outlet temperature is variable. Preselection tool has been developed from grand composite curve and exergetic criterion to propose and pre-size thermodynamics utilities. It is used upstream of the heat exchangers network design step.These two algorithms have been integrated into a software for energy integration of process unit operations heat fluxes. Several validations were made on study cases from the literature as well as on industrial cases which require process modelling. The both algorithms sequence allows achieving practical and technologically feasible results. Improvement on energy consumption provided by the solutions can be calculated at each step.

Ce projet porte, dans un souci d’efficacité énergétique, sur la récupération d’énergie des rejets thermiques à basse température. Une analyse d’optimisation des technologies dans le but d’obtenir un système de revalorisation de chaleur rentable fait objet de cette recherche. Le but sera de soutirer la chaleur des rejets thermiques et de la réappliquer à un procédé industriel. Réduire la consommation énergétique d’une usine entre habituellement en conflit avec l’investissement requis pour les équipements de revalorisation de chaleur. Ce projet de maitrise porte sur l’application d’optimisations multiobjectives par algorithme génétique (GA) pour faciliter le design en retrofit des systèmes de revalorisation de chaleur industrielle. L’originalité de cette approche consiste à l’emploi du «fast non-dominant sorting genetic algorithm» ou NSGA-II dans le but de trouver les solutions optimales entre la valeur capitale et les pertes exergétiques des réseaux d’échangeurs de chaleur et de pompes à chaleur. Identifier les solutions optimales entre le coût et l’efficacité exergétique peut ensuite aider dans le processus de sélection d’un design approprié en considérant les coûts énergétiques. Afin de tester cette approche, une étude de cas est proposée pour la récupération de chaleur dans une usine de pâte et papier. Ceci inclut l’intégration d’échangeur de chaleur Shell&tube, d’échangeur à contact direct et de pompe à chaleur au réseau thermique existant. Pour l’étude de cas, le projet en collaboration avec Cascades est constitué de deux étapes, soit de ciblage et d’optimisation de solutions de retrofit du réseau d’échangeur de chaleur de l’usine de tissus Cascades à Kinsley Falls. L’étape de ciblage, basée sur la méthode d’analyse du pincement, permet d’identifier et de sélectionner les modifications de topologie du réseau d’échangeurs existant en y ajoutant de nouveaux équipements. Les scénarios résultants passent ensuite à l’étape d’optimisation où les modèles mathématiques pour chaque nouvel équipement sont optimisés afin de produire une courbe d’échange optimal entre le critère économique et exergétique. Pourquoi doubler l’analyse économique d’un critère d’exergie? D’abord, parce que les modèles économiques sont par définition de nature imprécise. Coupler les résultats des modèles économiques avec un critère exergétique permet d’identifier des solutions de retrofit plus efficaces sans trop s’éloigner d’un optimum économique. Ensuite, le rendement exergétique permet d’identifier les designs utilisant l’énergie de haute qualité, telle que l’électricité ou la vapeur, de façon plus efficace lorsque des sources d’énergie de basse qualité, telles que les effluents thermiques, sont disponibles. Ainsi en choisissant un design qui détruit moins d’exergie, il demandera un coût énergétique moindre. Les résultats de l’étude de cas publiés dans l’article montrent une possibilité de réduction des coûts en demande de vapeur de 89% tout en réduisant la destruction d’exergie de 82%. Dans certains cas de retrofit, la solution la plus justifiable économiquement est également très proche de la solution à destruction d’exergie minimale. L’analyse du réseau d’échangeurs et l’amélioration de son rendement exergétique permettront de justifier l’intégration de ces systèmes dans l’usine. Les diverses options pourront ensuite être considérées par Cascades pour leurs faisabilités technologiques et économiques sachant qu’elles ont été optimisées.