Cette thèse propose un cadre global pour la décarbonation de l’industrie chimique en intégrant la conception des procédés, leur exploitation dynamique et la gestion de l’énergie renouvelable. Partant du constat que l’industrie chimique reste fortement dépendante des ressources fossiles et des utilités énergétiques à haute température, elle explore comment adapter les usines chimiques à la variabilité intrinsèque des sources d’énergie renouvelables.
Dans un premier temps, une analyse systématique des stratégies d’atténuation du CO₂ est menée à l’échelle de la chaîne de valeur chimique. Un nouveau concept de « délai temporel » (temporal delay) est introduit afin d’évaluer le décalage entre la réduction initiale des émissions et leur éventuelle réémission dans l’atmosphère. Les résultats montrent que les énergies renouvelables et les technologies de valorisation du CO₂ (CO₂-to-X) offrent un potentiel de réduction des émissions supérieur à celui des approches classiques de captage et stockage du carbone.
Sur la base de ces résultats, la thèse développe le concept d’usine orientée émissions (Emission-Oriented Process, EO), dans laquelle les décisions opérationnelles et énergétiques sont prioritairement guidées par la minimisation des émissions de CO₂ plutôt que par la seule maximisation de la production ou du profit. Cette approche repose sur une adaptation dynamique du fonctionnement des procédés à la disponibilité des ressources renouvelables, afin de maximiser leur utilisation tout en réduisant le recours aux énergies fossiles.
Afin de démontrer la faisabilité de ce concept, la thèse se concentre sur une étude de cas de production de biométhanol alimentée par des énergies renouvelables intermittentes. Une approche de production dynamique fondée sur les prévisions météorologiques est développée afin d’anticiper les fluctuations énergétiques et de dimensionner correctement les équipements, les capacités d’appoint et les stratégies de contrôle.
Une conception flexible du procédé de synthèse du biométhanol est ensuite proposée. Grâce à l’intégration d’unités surdimensionnées et de stratégies de contrôle adaptatives, la consommation énergétique du procédé est réduite d’environ 25 % (de 12,5 à 9,4 kWh/kg de produit), tandis que la capacité de production augmente d’environ 33 % pour une même quantité d’énergie disponible. Des simulations dynamiques réalisées sous Aspen Dynamics démontrent également la stabilité du procédé sur une large plage de fonctionnement, même sous des charges fortement variables.
Enfin, un modèle de planification et d’optimisation énergétique est développé pour maximiser l’utilisation des énergies renouvelables tout en minimisant les émissions de CO₂. Les résultats montrent qu’une stratégie d’exploitation orientée émissions peut conduire à un procédé à émissions négatives, avec une réduction supérieure à 120 % par rapport à des scénarios conventionnels utilisant du gaz naturel comme source d’appoint. L’analyse économique confirme également la viabilité financière de cette approche.
En conclusion, cette thèse démontre que la décarbonation profonde de l’industrie chimique nécessite non seulement l’utilisation de technologies bas carbone, mais aussi une transformation structurelle et dynamique des procédés afin de les adapter aux fluctuations des énergies renouvelables. Elle établit ainsi les bases méthodologiques d’une production chimique durable, flexible et robuste. |
This thesis proposes a comprehensive framework for the decarbonization of the chemical industry by integrating process design, dynamic operation, and renewable energy management. Starting from the observation that the chemical sector remains heavily dependent on fossil resources and high-temperature utilities, it investigates how chemical plants can be adapted to the inherent variability of renewable energy sources.
First, a systematic analysis of CO₂ mitigation strategies is conducted across the chemical value chain. A new concept, referred to as temporal delay, is introduced to assess the time gap between the initial mitigation of emissions and their potential re-emission into the atmosphere. The results show that renewable energy deployment and CO₂ utilization technologies (CO₂-to-X) offer greater long-term emission reduction potential than conventional carbon capture and storage approaches.
Building on these findings, the thesis develops the concept of an Emission-Oriented Process (EO Process), in which operational and energy management decisions are primarily driven by the objective of minimizing CO₂ emissions rather than solely maximizing production or profit. This approach relies on dynamically adapting process operation to renewable energy availability, thereby maximizing renewable energy utilization while minimizing dependence on fossil-based backup resources.
To demonstrate the feasibility of this concept, the thesis focuses on a renewable-powered biomethanol production plant as a case study. A dynamic production approach based on meteorological forecasts is developed to anticipate fluctuations in renewable energy supply and to appropriately size equipment, backup capacities, and control strategies.
A flexible biomethanol synthesis process is then proposed. Through the integration of oversized process units and adaptive control strategies, the overall energy consumption of the process is reduced by approximately 25% (from 12.5 to 9.4 kWh/kg of product), while production capacity increases by about 33% for the same energy input. Dynamic simulations performed using Aspen Dynamics further demonstrate the stability of the process over a wide operating range, even under highly variable load conditions.
Finally, a scheduling and energy optimization framework is developed to maximize renewable energy utilization while minimizing CO₂ emissions. The results show that an emission-oriented operating strategy can achieve a negative-emissions process, reducing emissions by more than 120% compared with conventional production scenarios operating at constant capacity with natural gas backup. Economic assessment also confirms the financial viability of this approach.
In conclusion, this thesis demonstrates that deep decarbonization of the chemical industry requires not only the deployment of low-carbon technologies but also a structural and dynamic transformation of process operation to accommodate renewable energy variability. It therefore establishes a methodological foundation for sustainable, flexible, and resilient chemical manufacturing systems. |