Évaluation de l’éco-efficacité par simulation de procédés dans le domaine de la transformation laitière

Les simulateurs de procédés

Face aux difficultés que représentent les études ACV « traditionnelles » les techniques de simulation semblent s’imposer comme la prochaine étape dans la mise à disposition des industriels d’outils d’aide à la décision (EcodEX, SUSMILK, Life Ecolac). La simulation est une méthode d’étude qui consiste à analyser un procédé ou un système au travers d’un modèle (Bimbenet & al., 2007). Dans les industries pétrolières, chimiques, et para-chimiques, les simulateurs de procédés se sont imposés dans la conception rapide et économique de procédés plus durables, mais aussi pour analyser et optimiser le fonctionnement des installations existantes (Joulia, 2008). Un simulateur de procédés est un programme informatique qui lie des modules représentant des opérations unitaires à des bilans d’énergie et de matières pour l’ensemble des procédés (Tomasula & al., 2013). Pour J-J. Bimbenet (Bimbenet & al., 2007) la simulation de procédés est « un outil d’exploration de possibilités ». La simulation de procédés permet en effet de comparer rapidement différents scénarios sur des critères d’intérêts dans un processus de prise de décision.

Les objectifs majeurs des simulateurs de procédés existants sont la réalisation des bilans de matière et d’énergie pour chaque procédé unitaire, et le calcul des caractéristiques (débit, composition, température, pression) de tous les fluides en circulation. Certains logiciels proposent aussi l’estimation des coûts d’investissement et de fonctionnement, l’évaluation des impacts sur l’environnement, et l’optimisation des conditions de fonctionnement du procédé (Joulia, 2008). Les simulateurs de procédés les plus 17 largement utilisés sont : Aspen PlusTM, ChemcadTM, Aspen HysysTM, Pro/IITM et Pro- SimPlusTM (Joulia, 2008). La grande majorité de ces simulateurs est destinée aux industries pétrolières et chimiques et n’intègre pas les modèles nécessaires à une utilisation par l’industrie laitière. Tout de même, deux études portant sur la consommation d’énergie, l’émissions de GES, et l’aspect économique de la production de lait de consommation ont été réalisées en utilisant le logiciel de simulation de procédés Super Pro DesignerTM de Intelligen, Inc. (Tomasula & al., 2013 ; Tomasula & al., 2014).

Principaux enseignements de la revue de littérature

L’ACV est une méthode complète et normalisée d’évaluation des impacts potentiels à l’environnement d’un système de produits. Bien que complet et d’un haut niveau d’évaluation, ce type d’étude peut s’avérer laborieux et onéreux. Sur la base de la revue de littéraire effectuée, les études environnementales réalisées dans le domaine de la transformation laitière (ACV et autres) sont en nombre limité, ne permettent pas d’identifier les contributions des différentes étapes des procédés de transformation, et se limitent bien souvent à l’évaluation des émissions de GES alors que cette catégorie d’impact n’est pas suffisante pour évaluer les impacts potentiels à l’environnement des produits laitiers sur l’ensemble de leur cycle de vie et dans toutes les dimensions environnementales.

Aussi, bien qu’à première vue les opérations de séparation par membranes pourraient avoir un effet potentiellement positif sur l’écoefficacité globale des procédés de transformation des produits laitiers, aucune étude ne permet actuellement de l’affirmer. L’évaluation de l’éco-efficacité selon la norme ISO 14045 (ISO, 2012) (dont l’étape d’évaluation des impacts potentiels à l’environnement repose sur l’ACV) semble constituer un outil d’aide à la décision au potentiel intéressant pour les industriels souhaitant minimiser leurs impacts sur l’environnement tout en assurant la rentabilité de leurs opérations. Plusieurs outils d’aide à la décision sont d’ailleurs disponibles pour les industriels laitiers, mais aucun ne permet de comparer rapidement plusieurs alternatives sans que cela ne devienne fastidieux et potentiellement dispendieux.

Avec son logiciel EcodEX®, Nestlé (Schenker & al., 2014) a ouvert la voie vers des outils plus adaptés. Plusieurs initiatives de recherche portant sur les impacts à l’environnement des transformations des produits laitiers ont d’ailleurs fait le choix du développement d’un logiciel comme outil d’aide à la décision pour les industriels laitiers. Bien que la simulation de procédés soit bien établie dans différents domaines, ce n’est pas le cas dans celui de la transformation des produits laitiers. Les logiciels existants sont vendus à des prix souvent très élevés, ne sont pas adaptés au secteur de la transformation laitière, et n’ont pas pour vocation d’évaluer l’éco-efficacité des procédés.

Choix de réalisation et explications

Un procédé de transformation des produits laitiers est une succession de procédés unitaires mis en relations par un réseau hydraulique (RH) qui assure transport, distribution, et stockage des fluides laitiers (Tetra Pak, 2015a). Le RH est constitué de pompes, conduites, vannes, et cuves (Koller, 2002). L’ensemble est alimenté en énergie électrique et en utilités. Ces dernières rassemblent les médias caloporteurs (eau chaude et froide, vapeur d’eau), l’air comprimé, et les solutions de nettoyages et désinfection. Les utilités sont produites, distribuées, et collectées par des unités distinctes des PU, qui sont partagées par plusieurs PU et souvent même plusieurs lignes de production (Tetra Pak, 2015a).

Étant donné la diversité des procédés pouvant être réalisés avec une modeste gamme d’EP, et sachant que pour un même EP les équipementiers proposent des équipements d’échelles, de dimensions, et de capacités variables, mais aussi pouvant être opérés, réglés, et ajustés, 66 d’un nombre considérable de façons différentes, il a semblé pertinent de doter ce M1 d’une interface utilisateur graphique (IUG) munie d’un espace de modélisation, d’une bibliothèque d’EP, et d’un panneau de paramétrage tel que présentés à la figure.

L’IUG permet à l’utilisateur d’entrer les données relatives au procédé à modéliser dans le logiciel. En effet, il peut ainsi associer, librement, sans contrainte ni restriction, un nombre illimité d’EP à partir de la bibliothèque d’EP (qui comprend, elle, un nombre limité de type d’EP), par simple glissé-déposé vers l’espace de modélisation. Au lieu de se voir imposer une liste limitée de « procédés modèles », l’utilisateur dispose, avec cette façon de procéder, d’une grande marge de manoeuvres pour réaliser l’association d’EP qui constituent le procédé à modéliser. Pour garantir une personnalisation complète des procédés modélisés, chaque EP peut aussi être entièrement paramétré, indépendamment du paramétrage des autres EP du même type via le panneau de paramétrage de l’IUG. L’approche adoptée vise à offrir beaucoup de liberté à l’utilisateur. En contrepartie, elle demande un travail important de programmation informatique des algorithmes de calculs des résultats de simulation.

Inventaire de cycle de vie et analyse d’impacts

Dans la démarche ACV, l’IFME est à la base de l’inventaire des polluants et matières premières (IPMP) (Jolliet & al., 2010). Alors que l’IFME comprend l’inventaire de l’ensemble des produits nécessaires au procédé pour fonctionner, l’IPMP est un inventaire de toutes les extractions et des émissions de, et vers, l’environnement. Ainsi, l’IFME est composé de flux de référence tandis que l’IPMP est composé de flux élémentaires. La conversion de l’IFME en IPMP se fait à l’aide de jeux de données d’ICV. Des BDD regroupant de tels jeux de données sont proposées par plusieurs organismes, dont EcoInvent (Swiss Centre for Life Cycle Inventories, Zurich, CH).

Chacun de ces jeux de données comprend l’ensemble des extractions et émissions élémentaires associées à un flux de produit pour tout ou partie de son cycle de vie. Puisque les flux de référence sont des flux de produits associés à la réalisation d’une fonction et exprimés en fonction d’une unité fonctionnelle relative au système étudié, la multiplication de la MIP par une matrice constituée des données d’ICV correspondant aux flux de produits considérés permet de générer l’IPMP. Ce dernier est donc le résultat d’un produit matriciel. Le produit obtenu est une matrice d’ICV qui regroupe, pour chaque EP du procédé modélisé, l’ensemble des extractions et émissions à l’environnement associées 87 à l’unité fonctionnelle définie. Chaque flux de produit pouvant correspondre à plusieurs centaines de flux de référence, la matrice d’ICV obtenue peut rapidement atteindre une taille très importante — par exemple, le flux de produit « lait cru de vache produit au Québec » compte plus de 1800 flux élémentaires (EcoInvent, 2018).

Les impacts et dommages à l’environnement sont quantifiés à la suite de la conversion de l’IFME en IPMP à l’aide d’une ou plusieurs méthodes d’analyse d’impacts. Des facteurs de caractérisation, propres à chaque méthode d’analyse d’impacts, permettent, pour chaque flux élémentaire, de quantifier les impacts associés à son extraction ou émission dans un ensemble de dimensions environnementales (Jolliet & al., 2010). La façon dont sont calculés les impacts et la définition des dimensions environnementales sont différentes d’une méthode d’analyse d’impacts à l’autre, et il existe un grand nombre de ces méthodes.

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Table des matières

1.Introduction
2.Revue de littérature
2.1. L’industrie laitière au Canada
2.2. Les procédés de séparation par membranes dans l’industrie laitière
2.3. L’évaluation des impacts environnementaux
2.4. Les outils d’aide à la décision disponibles pour les industriels laitiers
2.5. Les simulateurs de procédés
3.Hypothèse et objectifs
3.1. Principaux enseignements de la revue de littérature
3.2. Hypothèse
3.3. Objectifs
4.Eco-efficiency applied to dairy processing: from concept to assessment. Résumé Abstract
4.1. Introduction
4.2. The eco-efficiency concept
4.2.1. Origins of the concept
4.2.2. Presentation of the concept
4.2.3. Eco-efficiency key aspects
4.3. Dairy processing: a multi-stakeholder activity, both consumer of natural resources and source of potentially polluting discharges into the environment.
4.3.1. A multi-stakeholder activity
4.3.2. A consumer of natural resources and a source of potential pollution released into the environment
4.4. Eco-efficiency guidelines and implementation
4.4.1. WBCSD eco-efficiency guidelines
4.4.2. Implementation of the eco-efficiency concept
4.4.3. Incentives and challenges
4.5. Measuring eco-efficiency
4.5.1. Efficiency and intensity assessments
4.5.2. A normalised assessment method
4.5.3. Assessing environmental impacts with Life Cycle Assessments
4.5.4. Determining the associated value
4.5.5. Eco-efficiency indicators
4.6. Process simulation as support for eco-efficiency assessments
4.6.1. Presentation of process simulation
4.6.2. Process simulation and eco-efficiency
4.7. Conclusion
5.Évaluation de l’éco-efficacité par simulation de procédés dans le domaine de la transformation laitière
Résumé
5.1. Introduction
5.2. Démarche proposée
5.2.1. Concept de base de l’outil
5.2.2. Exigences relatives au développement de l’outil
5.2.3. Approche logicielle
5.3. Modélisation des procédés
5.3.1. Choix de réalisation et explications
5.3.2. Méthodes de développement informatique
5.3.1. Modélisation de procédés
5.4. Évaluation des impacts potentiels à l’environnement et de la valeur associée au procédé modélisé
5.4.1. Principes des calculs
5.4.2. Inventaire des flux de matières et d’énergies
5.4.3. Impacts potentiels à l’environnement
5.4.4. Valeur économique associée au procédé
5.5. Présentation des résultats
5.5.1. Indicateurs d’éco-efficacité
5.5.2. Contributions aux impacts
5.5.3. Paramètres économiques
5.6. Démonstration
5.6.1. Description des scénarios évalués
5.6.2. Résultats de l’évaluation
5.6.3. Bilan de la démonstration
5.7. Discussion
5.7.1. Avantages de la méthode
5.7.2. Possibilités d’amélioration
5.8. Conclusion
6.Contribution des procédés baromembranaires à l’éco-efficacité des procédés de transformation des produits laitiers
Résumé
6.1. Introduction
6.2. Matériel et méthodes
6.2.1. Scénarios évalués
6.2.2. Évaluation de l’éco-efficacité des scénarios
6.2.3. Modélisation des procédés de séparations par membranes
6.2.4. Modélisation du procédé fromager
6.2.5. Modélisation des opérations d’évaporation et séchage
6.2.6. Paramètres économiques
6.3. Résultats
6.3.1. Produits laitiers générés
6.3.2. Distribution des fluides à l’étape de standardisation
6.3.3. Unités de filtration
6.3.4. Indicateurs d’éco-efficacité
6.3.5. Contributions aux impacts potentiels à l’environnement
6.3.6. Viabilités économiques
6.4. Discussion
6.4.1. Rendements laitiers
6.4.2. Effets de la distribution différenciée des fluides
6.4.3. Éco-efficacités comparées
6.4.4. Réalisme des modélisations des unités de filtration
6.5. Conclusion
6.6. Remerciements
7.Conclusion générale
7.1. Principaux résultats
7.1.1. État des lieux de la mise en oeuvre du concept d’éco-efficacité dans le domaine de la transformation laitière.
7.1.2. Développement d’un nouvel outil d’évaluation de l’éco-efficacité en transformation laitière.
7.1.3. Contribution des procédés baromembranaires à l’éco-efficacité des transformations laitières.
7.2. Contributions originales de la thèse
7.2.1. Un état des lieux instructif et exemplaire du concept d’éco-efficacité
7.2.2. Une méthode et un outil novateur
7.2.3. Une démonstration éclairante de la contribution des procédés baromembranaires à l’écoefficacité en transformation laitière
7.3. Perspectives
7.3.1. Poursuite des travaux de recherche
7.3.2. Développements à plus long terme
Bibliographie

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