Pour soutenir la transition vers une économie à émissions nettes nulles de gaz à effet de serre, conformément aux objectifs climatiques européens et internationaux, l’industrie fait face à l’immense défi de développer de nouvelles unités de production compétitives et décarbonées. La production de carburants liquides synthétiques à partir d’électricité renouvelable compte parmi les solutions les plus prometteuses, l’e-méthanol s’imposant comme une molécule plateforme clé pour l’avenir des carburants d’aviation durables.
Cette thèse porte sur le développement et l’application d’une méthodologie robuste et générique pour la conception et l’optimisation de tels procédés, en prenant l’e-méthanol comme étude de cas. L’originalité de ce travail réside dans l’intégration systématique de l’analyse pincement et de l’analyse exergétique, deux approches complémentaires qui, combinées, permettent à la fois de réduire la consommation énergétique et de minimiser les irréversibilités du procédé. L’analyse pincement offre un cadre rigoureux pour l’intégration thermique avancée, tandis que l’analyse exergétique identifie et quantifie les sources de pertes d’efficacité, permettant ainsi des améliorations ciblées. Ensemble, ces outils offrent une vision globale de l’optimisation des procédés, conciliant faisabilité technique, efficacité énergétique et viabilité économique.
La méthodologie s’articule en quatre étapes clés. Elle débute par la modélisation détaillée d’un procédé de référence pour l’e-méthanol, suivie d’une analyse pincement visant à optimiser le réseau d’échangeurs de chaleur et à maximiser la récupération d’énergie à structure de procédé fixée. La troisième étape consiste en une analyse exergétique approfondie, qui permet de hiérarchiser les actions d’amélioration et d’orienter la refonte du procédé ; à ce stade, des solutions améliorées sont générées en couplant modifications procédés et réseaux d’échangeurs optimisés. Enfin, les enseignements issus de l’analyse exergétique sont intégrés dans un cadre d’optimisation multicritère, s’appuyant sur une modélisation par superstructure et l’utilisation du solveur avancé MIDACO, interfacé de manière externe avec ProSimPlus. Cette approche permet de générer et d’évaluer des configurations de procédé optimisées, aboutissant à un front de Pareto qui offre aux décideurs la possibilité de sélectionner les solutions les plus prometteuses selon des critères et objectifs spécifiques. Un critère thermique est explicitement intégré dans l’optimisation multicritère, établissant un lien direct entre les critères exergétiques utilisés pour la génération de la superstructure et le critère basé sur l’analyse pincement pour l’intégration thermique. Cette approche duale permet de construire une méthodologie cohérente qui articule analyse exergétique et intégration thermique avancée au sein du cadre d’optimisation. Pour les configurations de procédé les plus intéressantes identifiées sur le front de Pareto, les réseaux d’échangeurs de chaleur sont ensuite conçus lors d’une étape de synthèse grassroot.
Les apports de cette thèse sont à la fois méthodologiques et appliqués. Sur le plan méthodologique, elle démontre la valeur de l’unification des analyses pincement et exergétique au sein d’une stratégie d’optimisation unique, applicable à une large gamme de procédés industriels innovants. Sur le plan appliqué, elle ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de voies de production d’e-méthanol efficaces et viables, soutenant ainsi le déploiement industriel de carburants synthétiques bas-carbone. |
To support the transition towards a net-zero greenhouse gas economy, in line with European and international climate objectives, industry faces the immense challenge of develop new, competitive, and decarbonised production units. The production of synthetic liquid fuels from renewable electricity is among the most promising solutions, with e-methanol emerging as a key platform molecule for the future of sustainable aviation fuels.
This thesis focuses on the development and application of a robust, generic methodology for the design and optimisation of such processes, using e-methanol as a case study. The originality of this work lies in the systematic integration of pinch analysis and exergy analysis, two complementary approaches which, when combined, enable both the reduction of energy consumption and the minimisation of process irreversibilities. Pinch analysis provides a rigorous framework for advanced heat integration, while exergy analysis identifies and quantifies sources of efficiency loss, thus enabling targeted improvements. Together, these tools offer a comprehensive perspective on process optimisation, balancing technical feasibility, energy efficiency, and economic viability.
The methodology is structured into four key stages. It begins with detailed modelling of a reference e-methanol process, followed by pinch analysis to optimise the heat exchanger network and maximise energy recovery within a fixed process structure. The third stage involves an in-depth exergy analysis, which serves to prioritise improvement actions and guide process redesign; at this step, initial improved solutions are generated by coupling process modifications with enhanced heat exchanger networks. Finally, the insights gained from the exergy analysis are incorporated into a multi-objective optimisation framework, leveraging superstructure-based modelling and the advanced MIDACO solver, externally interfaced with ProSimPlus. This approach enables the generation and evaluation of optimised process configurations, resulting in a Pareto front that allows decision-makers to select the most promising solutions according to specific criteria and objectives. A thermal criterion is explicitly included in the multi-objective optimisation, providing an explicit link between the exergy-based criteria used for superstructure generation and the pinch-based criterion for heat integration. This dual approach enables a coherent methodology that bridges exergy analysis and advanced thermal integration within the optimisation framework. For the most interesting process configurations identified on the Pareto front, heat exchanger networks are then designed in a subsequent grassroot synthesis step.
The contributions of this thesis are both methodological and practical. Methodologically, it demonstrates the value of unifying pinch and exergy analyses within a single optimisation strategy, applicable to a wide range of innovative industrial processes. Practically, it offers new perspectives for the development of efficient and viable e-methanol production pathways, thereby supporting the industrial deployment of low-carbon synthetic fuels. |