Ron Beck, directeur de l’ingénierie, AspenTech

Dans un contexte de complexité et d’incertitude tel que celui lié aux matières premières liées à l’énergie, comment maintenir l’efficacité énergétique dans un contexte d’entreprise ou industriel ? Voici quelques bonnes pratiques pour maîtriser la consommation d’énergie de la conception à l’exploitation.

La gestion de l’énergie est essentielle pour la durabilité et la rentabilité d’une usine ou d’une entreprise. Après les matières premières, l’énergie est la dépense la plus importante dans la plupart des procédés chimiques et de raffinage. Les raffineries et les entreprises pétrochimiques qui investissent dans l’efficacité énergétique renforcent leur compétitivité en améliorant leurs marges d’exploitation et la flexibilité de la production, et en réduisant leur empreinte carbone. La réduction de la consommation d’énergie doit être considérée comme une opportunité et intégrée dans tous les aspects de l’entreprise. Des facteurs externes et internes font de l’optimisation énergétique un défi permanent dans toute usine. Les sources d’énergie, l’offre et les coûts changent et évoluent. Les changements concernant les matières premières imposent des ajustements des stratégies d’exploitation. Les contrats de vente imposent des contraintes. Les réglementations et taxes environnementales peuvent imposer des changements de fonctionnement, tandis que les équipements vieillissent au fil du temps et leur état a des répercussions sur l’efficacité opérationnelle (par exemple, les échangeurs de chaleur vieillissent et s’encrassent).

Dans ce contexte de complexité et d’incertitude, comment maintenir l’efficacité énergétique ?
La lutte contre le gaspillage énergétique doit se faire du côté de l’offre et du côté de la demande. En ce qui concerne la demande, diverses stratégies permettent de réduire la demande d’énergie. Une utilisation plus efficace de toutes les sources de chauffage et de refroidissement présente des avantages dans une usine. Cela s’appelle l’intégration thermique et cette stratégie est mise en œuvre lors de la conception, mais également dans toute installation en service. Il est possible de réduire la demande en améliorant l’exploitation et l’entretien des équipements. Les échangeurs de chaleur rencontrent divers problèmes opérationnels allant de l’encrassement des surfaces d’échange thermique aux vibrations et contraintes hydrauliques. Les stratégies en la matière telles que le réglage des températures de fonctionnement, ainsi que le réglage et l’ajustement des plateaux de colonne et du débit, peuvent avoir un impact significatif sur la consommation d’énergie. La réduction de la variabilité des procédés (par l’optimisation et le contrôle en temps réel) peut améliorer considérablement l’efficacité. En ce qui concerne l’offre, la gestion active des sources d’énergie disponibles en fonction de leur prix temporel et de l’offre permet généralement de réaliser d’énormes économies.

Pour résumer, quatre stratégies permettent de réaliser des économies d’énergie :

• Améliorer la conception des nouvelles installations
• Investir pour transformer les procédés et améliorer l’efficacité énergétique
• Améliorer les stratégies d’exploitation et d’entretien
• Gérer efficacement les utilités pour réduire les coûts ou la consommation d’énergie au maximum

Les entreprises doivent combiner ces quatre stratégies pour améliorer leur efficacité énergétique et réduire leur empreinte carbone.

Conception reflétant l’efficacité énergétique
Les entreprises d’ingénierie sont confrontées à un ensemble d’objectifs en termes de conception, à commencer par le rendement et la qualité, la charge d’alimentation, la flexibilité de gérer les changements concernant les matières premières et les produits au fil du temps, le respect des réglementations relatives à la sécurité et aux émissions, la stabilité de fonctionnement et la réduction des coûts. Reléguer l’efficacité énergétique à la fin de la liste des priorités a un impact négatif sur la durée de vie de l’usine.

L’ennemi des conceptions écoénergétiques est le temps. Aujourd’hui, la plupart des projets, quelle que soit leur ampleur, sont soumis à une énorme pression en ce qui concerne les délais. Le procédé le plus éprouvé ou le plus facile à concevoir (d’un point de vue fonctionnel) est développé. L’analyse de l’intégration thermique (méthode du pincement) lors de cette phase précoce peut apporter des avantages non négligeables en termes de cycle de vie. Des procédés écoénergétiques réduisent non seulement les coûts du cycle de vie, mais également les dépenses liées aux caractéristiques nominales requises. Ils permettent en outre d’économiser des utilités chaudes et froides.

Les moyens d’améliorer l’efficacité énergétique au stade précoce de la conception sont les suivants :

• Intégration de logiciels intuitifs d’analyse de l’intégration thermique (méthode du pincement) et d’optimisation dans la simulation des procédés, permettant au concepteur d’examiner, de filtrer et de sélectionner rapidement les meilleures conceptions d’un point de vue énergétique
• Modélisation détaillée des échangeurs de chaleur lors de la simulation des procédés, permettant au concepteur d’examiner les compromis entre la taille, l’efficacité et l’exploitabilité des échangeurs de chaleur pour obtenir les meilleurs compromis entre les coûts d’investissement et les coûts d’exploitation
• Optimisation de l’interaction entre le bloc de chauffage et de refroidissement et les principales unités de traitement, telles que les colonnes de séparation, en utilisant des méthodes d’optimisation au sein des principaux simulateurs de procédés (par exemple, Aspen Plus et Aspen HYSYS)

La conservation de l’énergie est importante non seulement pour les grands procédés pétrochimiques et de fabrication des engrais, mais aussi pour les nouveaux procédés de bioconversion en quête de viabilité commerciale. Liquid Light⁽¹⁾ est une start-up qui commercialise des technologies de traitement brevetées et Pan Pacific⁽²⁾ est une entreprise spécialisée dans la conception de procédés de production de biocarburants algaux. Les deux entreprises ont utilisé ces approches de la conception pour améliorer le rendement de leurs nouveaux procédés. Braskem a développé un procédé écoénergétique innovant pour synthétiser l’alcool isopropylique dérivé de la canne à sucre en utilisant l’approche ci-dessus. Le pétrochimiste a économisé 30 % d’énergie lors de la phase initiale de la conception du procédé en combinant judicieusement ses connaissances des procédés et des outils logiciels permettant notamment d’analyser l’énergie dans Aspen Plus.⁽⁸⁾

Modernisation des installations existantes
Diverses solutions permettent de réduire la consommation d’énergie dans les installations existantes et bon nombre d’entre elles améliorent aussi les rendements. Les outils qui sont disponibles lors de la conception en amont sont également disponibles pour l’ingénieur soucieux de conserver l’énergie et d’améliorer la production. Parmi les principales solutions figurent la reconfiguration des échangeurs de chaleur, le remplacement et l’ajout d’échangeurs de chaleur, des stratégies de maintenance préventive plus agressives pour réduire l’encrassement des échangeurs de chaleur, ainsi que les modifications des procédés dans les paramètres de fonctionnement et la configuration pour améliorer l’efficacité.

Une analyse énergétique complète d’une installation existante permet d’identifier des dizaines de possibilités d’amélioration individuelles. Certaines impliquent des dépenses importantes et d’autres nécessitent des compromis dans la production pour réduire la consommation d’énergie et améliorer le rendement. Selon un article publié récemment, LG Chem a réalisé des économies d’énergie et amélioré son rendement de 10 % grâce à l’intégration des colonnes et à un meilleur séquençage des procédés.⁽³⁾

Opérations et stratégies d’entretien
Diverses pratiques et stratégies opérationnelles permettent de réduire collectivement la consommation d’énergie dans une usine. En voici quelques-unes :

Visibilité des indicateurs clés de performance liés à la consommation d’énergie : des tableaux de bord visuels avec indicateurs clés de performance représentant le rendement énergétique des usines constituent le point de départ de l’amélioration opérationnelle. Lorsque les opérateurs, le personnel d’entretien, les planificateurs et les gestionnaires connaissent l’impact de leurs actions sur la consommation d’énergie de l’usine et les coûts, ils assument individuellement la responsabilité de l’enjeu énergétique de l’environnement d’exploitation.

Entretien des échangeurs de chaleur : l’encrassement des échangeurs de chaleur pèse sur la consommation d’énergie et le rendement. Des modèles de procédé et d’échangeur de chaleur adaptés peuvent être utilisés avec les données de production en temps réel pour prévoir l’encrassement des échangeurs de chaleur et améliorer la planification des opérations de maintenance qui réduisent les pannes et la consommation d’énergie. Des entreprises telles qu’ENIOS⁽⁴⁾ et Dow Chemical⁽⁵⁾ ont documenté l’impact considérable de ces stratégies sur leur chiffre d’affaires.

Production/Planification et ordonnancement énergétiques efficaces : l’établissement d’un lien entre la production et l’ordonnancement énergétique assure un approvisionnement énergétique sûr pour les usines, réduit le besoin de torchage de gaz combustible excédentaire et de ventilation de l’excédent de vapeur, et permet de prévoir les éventuels goulets d’étranglement. Il est essentiel d’améliorer la planification quotidienne et de réagir rapidement aux changements en optimisant l’exécution. Aspen PIMS, Aspen Petroleum Scheduler et Aspen Utilities Planner sont des solutions qui offrent les fonctionnalités requises pour synchroniser la planification de la production, l’ordonnancement et la planification énergétique afin d’atteindre ces objectifs complexes.

La gestion de l’offre dans le processus de planification de la production, les coûts de l’énergie et les objectifs de réduction des émissions font partie intégrante de la planification. Il est possible de bénéficier d’avantages opérationnels en planifiant la consommation d’énergie entrante et sortante (par exemple, la consommation d’énergie des équipements et des installations, la planification des matières premières, l’achat d’utilités externes par rapport à l’utilisation des sources disponibles en interne). Des outils de planification avancés tels qu’Aspen PIMS permettent d’évaluer les compromis entre la production, les sources d’énergie, les coûts et les émissions, afin de définir un fonctionnement optimal. Un logiciel tel qu’Aspen Utilities Planner permet de planifier la configuration optimale du système d’utilités et de fournir aux responsables des opérations des conseils sur les mesures qu’ils peuvent prendre en temps réel pour améliorer la performance énergétique et économique. Rompetrol a réalisé d’importantes économies et amélioré les résultats de sa raffinerie en adoptant l’approche ci-dessus pour combler l’écart entre la planification des hydrocarbures et la planification de l’énergie ⁽⁶⁾.

Optimisation en temps réel et contrôle avancé : le contrôle avancé des procédés (APC, Advanced Process Control) permet de gérer un procédé pour réduire la variabilité et maintenir le rendement optimal de l’usine. Il est ainsi possible de réduire le coût énergétique global du procédé et de mieux gérer les émissions dans les limites autorisées. Le logiciel Aspen DMC3 est un outil de contrôle avancé des procédés de nouvelle génération qui rend un système de contrôle avancé plus intuitif et facile à entretenir. L’optimisation en temps réel peut être combinée avec le contrôle avancé des procédés pour réduire encore la consommation d’énergie. En exécutant continuellement un modèle de procédé d’analyse en fonction des données de production, il est possible de modifier en permanence les stratégies d’exploitation en fonction des performances réelles de l’usine. Le fabricant d’engrais Profertil est un exemple d’entreprise qui a gagné des millions de dollars en appliquant cette stratégie⁽⁷⁾.

Faire la différence
L’importance accordée par les entreprises à la gestion de l’énergie varie en fonction de l’évolution des prix de l’énergie et de l’incertitude des prix. Cette stratégie manque de perspicacité. À plus long terme, les investissements dans la réduction de la consommation d’énergie seront payants sur le cycle de vie d’un actif. En obtenant les mêmes résultats en consommant moins d’énergie, les entreprises peuvent mettre en oeuvre des procédés plus efficaces et adopter des technologies avancées pour améliorer les performances. L’amélioration de l’efficacité énergétique présente l’avantage d’améliorer le rendement des procédés. Elle présente également des avantages en matière de durabilité. Grandes consommatrices d’énergie, les usines de traitement feront de plus en plus l’objet d’un contrôle réglementaire et d’une surveillance publique liés à leur empreinte carbone.

Pour bon nombre d’entreprises, l’effet de la réduction de la consommation d’énergie sur la rentabilité est généralement évident. Le défi consiste à identifier clairement les possibilités d’amélioration et leurs implications sur les coûts d’investissement et les coûts opérationnels. Les logiciels avancés de simulation, d’analyse, de planification, d’ordonnancement, d’optimisation et de contrôle des procédés améliorent la consommation d’énergie par la gestion des opérations dans l’ensemble de l’entreprise. Il est possible de réaliser des économies en mettant en oeuvre des mesures opérationnelles plus écoénergétiques, qui se traduisent par une augmentation de la production et une réduction des émissions.

En conclusion
L’adoption des meilleures pratiques améliore les méthodes d’achat, de vente et de consommation d’énergie des entreprises. L’exploitation à moindre coût et extrêmement fiable des utilités existantes fournit le plan de production optimal tout en tenant compte des contraintes environnementales, organisationnelles et techniques en constante évolution. Les gestionnaires peuvent s’appuyer sur les meilleures pratiques pour prendre des décisions délibérées, mesurées et durables, tout en respectant la réglementation et en améliorant les normes de production. En tenant compte de l’ensemble des systèmes d’énergie et d’utilités, les logiciels avancés de gestion de l’énergie apportent aux usines de traitement la solution idéale pour maîtriser la consommation d’énergie de la conception à l’exploitation et les aident à améliorer considérablement leurs marges.

À propos d’AspenTech
AspenTech est l’un des principaux éditeurs mondiaux de logiciels optimisant les opérations des industries de transformation, notamment dans les secteurs de l’énergie et des produits chimiques. Les solutions intégrées aspenONE optimisent les opérations d’ingénierie, de production et de logistique.

Références :
(1) Yizu Zhu (2013) ; Liquid Light, présentation lors de la conférence OPTIMIZE 2013, Boston, Massachusetts, mai 2013
(2) Eric Dunlop (2012) ; Pan Pacific, présentation en ligne dans un webinar public d’AspenTech, octobre 2012
(3) Sungchi Yoo (2013) ; LG Chem, présentation lors du forum Aspen Technology and Innovation, Séoul et Tokyo, décembre 2013
(4) Robert Pes et Pierre Séré Peyrigain (2006) ; INEOS, conférence dédiée aux utilisateurs d’Aspen EDR, Cologne, Allemagne, décembre 2006
(5) Dave Kolesar (2010) ; Dow Chemical, Aspen Global Conference, Houston, Texas, mai 2010
(6) Iulian Lemnaru, Rompetrol ; conférence dédiée aux utilisateurs d’Aspen PIMS™ et Aspen Orion™/MBO, 2005
(7) C. Raspanti, (2010) Profertil, AspenTech Global Conference, 2010
(8) Webinar avec Braskem : « Guarantee the Optimal Solution to Energy Management with Activated Energy Analysis », 5 novembre 2014