Dans un contexte de transition énergétique et numérique, L’Usine du Futur se définit commeéconome en énergie, mais aussi agile grâce à des moyens de production flexibles etreconfigurables. Conférer ces propriétés aux procédés existants est un challenge complexe quiinduit souvent une réorganisation des unités. Dans ce cadre, la méthodologie RREFlex a pourobjectif de proposer des solutions alternatives d’intégration énergétique à la fois viables, robusteset adaptables via le remodelage des réseaux d’échangeurs de chaleur déjà installés.Contrairement à la conception initiale consistant à réaliser de manière conjointe la conception duprocédé et du réseau d’échangeur de chaleur associé, l’exercice de remodelage d’unitésexistantes peut s’avérer sensiblement plus complexe. En effet, il s’inscrit souvent dans unedémarche d’amélioration continue sur des installations ayant déjà connu au cours de leur vie destransformations pour faire face aux évolutions de la demande ou à de nouvelles contraintesenvironnementales. Aujourd’hui, nombre d’analyses de récupération énergétique sont réaliséessur les sites industriels mais celles-ci ne donnent pas nécessairement lieu à des réalisationsconcrètes. Les raisons le plus souvent invoquées sont d’ordre financières mais aussi, pratiques.En effet, les solutions proposées ne sont pas toujours réalistes d’un point de vue opérationnellecar elles tiennent rarement compte de la variabilité du procédé, soit due à des perturbations nonmaitrisées sur les températures et les débits, soit due à la présence de multiples points defonctionnement (changement de campagne, évolution de la charge, etc.). De plus, ces solutionstiennent peu compte des contraintes spécifiques du site étudié (topologie des unités, compatibilitédes courants, sécurité, etc.), la formulation a priori de ces dernières ne pouvant être exhaustive.L’outil RREFlex - outil Robuste pour la synthèse de Réseaux d’Echangeurs Flexibles - a étédéveloppée pour pallier autant que possible ces limites. S’appuyant sur une analyse statistiquedes historiques de mesures remontés en salle de contrôle, un premier module - EDiFy : EnhancedData collection for Flexibility analysis - permet de localiser et de caractériser les différents cas demarche des unités. Notamment, la valeur moyenne et la variance des données caractéristiques duprocédé (températures, flux calorifiques) sont estimées pour chaque cas de marche. Ce jeu dedonnées étant souvent incomplet, il est nécessaire d’avoir recours à un modèle de simulation duprocédé pour le compléter et valider la cohérence des données mesurées pour chaque cas demarche potentiellement identifié. Sur cette base, une seconde étape dédiée au diagnosticénergétique permet d’évaluer la pertinence des échangeurs de récupération déjà installés. Cetteanalyse permet d’identifier et de prioriser un ensemble de scenarii de remodelage considéréscomme prometteurs. Chacun d’eux est défini par la liste des échangeurs à reconsidérer et uncertain nombre de paramètres de configuration. Chaque scenario retenu est alors exploité pour lasynthèse du réseau d’échangeurs associé. Cette étape s’appuie sur un modèle de programmationlinéaire mixte multi-période (PLM) pour déterminer la nouvelle topologie du réseau d’échangeurs.Dans ce cadre, le modèle a évidemment la possibilité d’introduire de nouveaux échangeurs maisaussi de déplacer les échangeurs existants et conservés dans un scénario donné, tant qu’ilscouplent la même paire de courant qu’initialement. Les réseaux obtenus sont donc adaptables auxdifférents cas de marche identifiés à la première étape et reconfigurable grâce à l’implantation deby-pass. Le panel de réseaux proposés est enfin évalué et classé au moyen d’indicateurs deperformance, dont notamment la robustesse vis-à-vis de la variabilité du procédé. L’approche aété validée sur deux sites de dimension industrielle: un procédé de fabrication de MVC et un trainde préchauffe de pétrole brut.

Dans un contexte de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de forte volatilité du prix des énergies, les investissements en efficacité énergétique des sites industriels résultent souvent d'un processus de décision complexe. L'industriel doit pouvoir disposer d'outils lui permettant d'élaborer les solutions d'efficacité énergétique envisageables sur son site. Outre la recherche des sources d'énergie alternatives, que sont les énergies renouvelables, qui n'atteindront leur maturité technologique que sur le long terme, une solution à court terme consiste plutôt à favoriser une utilisation plus rationnelle de l'énergie. Pour relever ce défi, l'analyse exergétique apparaît comme un outil très efficace, car elle permet d'identifier précisément les sources d'inefficacité d'un procédé donné et de proposer des solutions technologiques visant à y remédier. Malheureusement, contrairement au concept d'enthalpie traditionnellement utilisé pour réaliser des bilans énergétiques sur un procédé, ce concept demeure assez difficile à appréhender et n'est que très rarement implémenté dans les simulateurs de procédés. Les travaux présentés dans ce document visent d'abordà rendre l'analyse exergétique plus accessible en l'intégrant dans un simulateur de procédés, puis à démontrer la pertinence d'une telle analyse pour l'amélioration de l'efficacité des procédés et des utilités associées. Dans un premier temps, une formulation générique et indépendante du choix du modèle thermodynamique pour l'évaluation de l'exergie des flux de matière est introduite. Une méthode de calcul des différentes contributions de l'exergie (contributions thermique, mécanique et chimique) est développée et un nouveau concept visant à évaluer les potentiels de récupérations thermique et mécanique maximales est introduit. Par la suite, la notion de bilan exergétique sur un système donné (opération unitaire ou procédé complet) est introduite. Pour l'évaluation des exergies des flux de travail et de chaleur, deux cas de figure sont étudiés : le cas de l'amélioration de procédés existants (« retrofitting ») et le cas de la conception de nouveaux procédés (« design»). Dans le cas de l'amélioration de procédés existants et afin d'aider au diagnostic énergétique de ces systèmes, des tableaux synthétiques proposant des solutions technologiques visant à réduire les irréversibilités ou les pertes exergétiques externes du procédé sont proposés. Par ailleurs, après une analyse comparative des différentes formulations d'efficacité exergétiques existant dans la littérature, la notion d'efficacité intrinsèque est retenue comme le critère le plus adapté pour une optimisation de l'efficacité exergétique d'un procédé complexe. Enfin, une nouvelle méthodologie structurée dédiée à l'analyse exergétique et permettant de pallier les lacunes des méthodologies existantes est présentée. L'ensemble de ces concepts est implémenté dans un premier prototype logiciel écrit en langage VBScript et intégré au simulateur de procédés ProSimPlus. Enfin, l'efficacité de la procédure est démontrée à travers une étude de cas portant sur la production de gaz naturel. / Energy issue is becoming increasingly crucial for industrial sector that consumes large quantities of utilities. Although the scientific world should continue to look for alternate sources of energy, a short-term solution would rather rely on a more rational use of energy. To face this challenge, exergy analysis appears a very efficient tool as it would enable to increase efficiency and reduce environmental impact of industrial processes. Unfortunately, contrary to enthalpy, this concept is rather difficult to handle and exergy analysis is rarely implemented in process simulators. In this context, the major objective of the study presented in this dissertation is to make exergy analysis more understandable by coupling it with the use of a process simulator and also to demonstrate the value of this approach for analysis of energy efficiency of processes and utilities. This dissertation presents a generic formulation for exergy of material streams that does not depend on the thermodynamic model, so that it could be easily implemented in a process simulator. The different contributions of exergy (thermal, mechanical and chemical) have been developed and new concept such as the maximal thermal and mechanical recovery potential has been introduced in order to pave the way for exergy analysis. The formulations of exergy balances on a real process are presented. For that purpose, the formulation of exergy for heat and work flux is developed. The formulation of exergy balances has been introduced for both design and retrofit situations and then a set of hints for the interpretation of this exergy balance has been given. Synthetic tables providing solutions to reduce irreversibilities and external losses have been introduced. Moreover, different kinds of exergy efficiency have been defined to provide a new criterion for the optimization of the process. A new structured methodology for exergy analysis is developed to overcome the limitations of existing methodologies. To make exergy analysis easier for any engineer, a first prototype has been developed to implement the calculation of exergy for the material streams in a process flowsheet modeled in ProSimPlus. Thanks to this prototype, exergy of each material stream appears in a synthesis table next to the traditional thermodynamic values such as the enthalpy. Finally, a case study on Natural Gas Liquids recovery process is presented to demonstrate the benefit of the exergy analysis for the improvement of existing processes. First, the exergy analysis permits to make an energy diagnosis of the process: it pinpoints the inefficiencies of the process which relies not only on irreversibilities but also on external exergy losses. Then, based upon respective values of internal and external losses and also thanks to the breaking down of exergy into it thermal, mechanical and chemical contributions, some technological solutions are suggested to propose a retrofit process. Finally, the exergy efficiency criteria enable to optimize the operating parameters of the process in order to improve its energy efficiency.

Dans un contexte de transition énergétique et numérique, L’Usine du Futur se définit commeéconome en énergie, mais aussi agile grâce à des moyens de production flexibles etreconfigurables. Conférer ces propriétés aux procédés existants est un challenge complexe quiinduit souvent une réorganisation des unités. Dans ce cadre, la méthodologie RREFlex a pourobjectif de proposer des solutions alternatives d’intégration énergétique à la fois viables, robusteset adaptables via le remodelage des réseaux d’échangeurs de chaleur déjà installés.Contrairement à la conception initiale consistant à réaliser de manière conjointe la conception duprocédé et du réseau d’échangeur de chaleur associé, l’exercice de remodelage d’unitésexistantes peut s’avérer sensiblement plus complexe. En effet, il s’inscrit souvent dans unedémarche d’amélioration continue sur des installations ayant déjà connu au cours de leur vie destransformations pour faire face aux évolutions de la demande ou à de nouvelles contraintesenvironnementales. Aujourd’hui, nombre d’analyses de récupération énergétique sont réaliséessur les sites industriels mais celles-ci ne donnent pas nécessairement lieu à des réalisationsconcrètes. Les raisons le plus souvent invoquées sont d’ordre financières mais aussi, pratiques.En effet, les solutions proposées ne sont pas toujours réalistes d’un point de vue opérationnellecar elles tiennent rarement compte de la variabilité du procédé, soit due à des perturbations nonmaitrisées sur les températures et les débits, soit due à la présence de multiples points defonctionnement (changement de campagne, évolution de la charge, etc.). De plus, ces solutionstiennent peu compte des contraintes spécifiques du site étudié (topologie des unités, compatibilitédes courants, sécurité, etc.), la formulation a priori de ces dernières ne pouvant être exhaustive.L’outil RREFlex - outil Robuste pour la synthèse de Réseaux d’Echangeurs Flexibles - a étédéveloppée pour pallier autant que possible ces limites. S’appuyant sur une analyse statistiquedes historiques de mesures remontés en salle de contrôle, un premier module - EDiFy : EnhancedData collection for Flexibility analysis - permet de localiser et de caractériser les différents cas demarche des unités. Notamment, la valeur moyenne et la variance des données caractéristiques duprocédé (températures, flux calorifiques) sont estimées pour chaque cas de marche. Ce jeu dedonnées étant souvent incomplet, il est nécessaire d’avoir recours à un modèle de simulation duprocédé pour le compléter et valider la cohérence des données mesurées pour chaque cas demarche potentiellement identifié. Sur cette base, une seconde étape dédiée au diagnosticénergétique permet d’évaluer la pertinence des échangeurs de récupération déjà installés. Cetteanalyse permet d’identifier et de prioriser un ensemble de scenarii de remodelage considéréscomme prometteurs. Chacun d’eux est défini par la liste des échangeurs à reconsidérer et uncertain nombre de paramètres de configuration. Chaque scenario retenu est alors exploité pour lasynthèse du réseau d’échangeurs associé. Cette étape s’appuie sur un modèle de programmationlinéaire mixte multi-période (PLM) pour déterminer la nouvelle topologie du réseau d’échangeurs.Dans ce cadre, le modèle a évidemment la possibilité d’introduire de nouveaux échangeurs maisaussi de déplacer les échangeurs existants et conservés dans un scénario donné, tant qu’ilscouplent la même paire de courant qu’initialement. Les réseaux obtenus sont donc adaptables auxdifférents cas de marche identifiés à la première étape et reconfigurable grâce à l’implantation deby-pass. Le panel de réseaux proposés est enfin évalué et classé au moyen d’indicateurs deperformance, dont notamment la robustesse vis-à-vis de la variabilité du procédé. L’approche aété validée sur deux sites de dimension industrielle: un procédé de fabrication de MVC et un trainde préchauffe de pétrole brut / In a context of numerical and energy transition, the Factory of the Future is meant to be moreenergy efficient but also smarter and agile through the use of flexible and reconfigurableproduction means. Enabling existing processes to achieve those properties is a difficult challengewhich often induces a reorganization of the units. In this context, RREFlex methodology wasdeveloped to provide several alternatives heat integration solutions both viable, robust andadaptable through the retrofitting of existing heat exchanger networks. Unlike grass-root design,which consists in designing both the process and the heat exchanger network at the same time(and thus, allowing many possibilities), retrofitting existing units can be a lot more complex.Indeed, as part of a continuous improvement process of the production, the plants have oftenalready undergone transformations during their life to cope with changes in demand or newenvironmental constraints. Currently, numerous energy recovery analysis are performed onindustrial sites but do not necessarily involves concrete industrial measures. The main reasons forthe lack of results are mainly financial but also practical. The provided solutions are often nonrealistic in terms of operability because of the lack of accounting for the variability of the process,whether due to external disturbances on temperatures and flowrates or due to multiple operatingconditions (many production campaigns, evolution in process load, etc.). Moreover, thosesolutions also do not take on-site constraints into account (units topology, process streamscompatibility, safety, etc.), as it is difficult to apprehend such constraints. The RREFlex module(Robust software tool for the synthesis of Flexible Heat Exchanger Networks), was developed toassess these issues. Based on a statistical analysis of historical data extracted from on-sitemeasurements, a first module - EDiFy : Enhanced Data collection for Flexibility analysis – enablesthe location and characterization of the multiple steady state regimes. The mean value andvariance of operating conditions characterizing the process (e.g. temperature, heat flow) areestimated for each steady state. As this data set is usually incomplete, it is necessary to use asimulation model of the process to complete and validate the consistency of the measurements ofeach identified steady state.Based upon those data, an energy diagnosis step enables the assessment of each existing heatexchanger liability. This analysis results in the identification and classification of several promisingretrofitting scenarios. Each one is defined by a list of heat exchangers to reconsider and severalconfiguration parameters.Each selected scenario is then used to design the corresponding optimal heat exchanger network.The latter step, which is based on a multi-period mixed linear programming model, aims at thedesign of a new heat exchanger network topology. In this context, the model includes not only thepossibility to add new heat exchangers but also to shift the preserved heat exchangers for a givenscenario, as long as the original pair of streams is kept. The resulting heat exchanger networksare thus adaptable to every operating conditions identified in the first step of the methodology butalso reconfigurable through the use of by-passes. The performances of the resulting networks areevaluated and classified using key performance indicators, especially the robustness which iscrucial to account for the process variability.The approach was validated on two industrial scale case studies: a MVC production process and arefinery heating train.

Les capteurs d'images CMOS ont connu au cours des six dernières années une réduction de la taille des pixels d'un facteur quatre. Néanmoins, cette miniaturisation se heurte à la diminution rapide du signal maximal de chaque pixel et à l'échange parasite entre pixels (diaphotie). C'est dans ce contexte qu'a été développé le Pixel à Tranchées Profondes Capacitives et Grille de Transfert verticale (pixel CDTI+VTG). Basé sur la structure d'un pixel « 4T », il intègre une isolation électrique par tranchées, une photodiode profonde plus volumineuse et une grille verticale permettant le stockage profond et le transfert des électrons. Des procédés de fabrication permettant cette intégration spécifique ont tout d'abord été développés. Parallèlement, une étude détaillée des transistors du pixel, également isolés par CDTI a été menée. Ces tranchées capacitives d'isolation actionnées en tant que grilles supplémentaires ouvrent de nombreuses applications pour un transistor multi-grille compatible avec un substrat massif. Un démonstrateur de 3MPixels intégrant des pixels d'une taille de 1.75*1.75 μm² a été réalisé dans une technologie CMOS 120 nm. Les performances de ce capteur ont pu être déterminées, en particulier en fonction de la tension appliquée aux CDTI. Un bas niveau de courant d'obscurité a tout particulièrement été obtenu grâce à la polarisation électrostatique des tranchées d'isolation / CMOS image sensors showed in the last few years a dramatic reduction of pixel pitch. However pitch shrinking is increasingly facing crosstalk and reduction of pixel signal, and new architectures are now needed to overcome those limitations. Our pixel with Capacitive Deep Trench Isolation and Vertical Transfer Gate (CDTI+VTG) has been developed in this context. Innovative integration of polysilicon-filled deep trenches allows high-quality pixel isolation, vertically extended photodiode and deep vertical transfer ability. First, specific process steps have been developed. In parallel, a thorough study of pixel MOS transistors has been carried out. We showed that capacitive trenches can be also operated as extra lateral gates, which opens promising applications for a multi-gate transistor compatible with CMOS-bulk technology. Finally, a 3MPixel demonstrator integrating 1.75*1.75 μm² pixels has been realized in a CMOS 120 nm technology. Pixel performances could be measured and exploited. In particular, a low dark current level could be obtained thanks to electrostatic effect of capacitive isolation trenches