Accueil > La Recherche au LGC > PSI - Procédé et Système Industriels > Thèmes développés > Thème 3 : Optimisation multi-objectif pour l’éco-conception des systèmes industriels

Thème 3 : Optimisation multi-objectif pour l’éco-conception des systèmes industriels

Contact :

Catherine AZZARO-PANTEL

Vers de nouveaux produits ayant un impact environnemental limité

- Ce thème vise au développement et à la mise en oeuvre de stratégies d’optimisation mono-objectif ou multi-objectif couplées à des techniques d’aide à la décision qui s’appuient sur des méthodes tant déterministes que stochastiques. Elles sont utilisées pour l’optimisation technico-économique et environnementale en vue de la conception optimale d’unités continues ou discontinues, ou plus largement de la conception de chaînes logistiques dites « vertes » ou encore de la conception de réseaux d’eau ou d’énergie mutualisés entre plusieurs sites de production.


Cadre méthodologique et générique d’écoconception de procédés

Modélisation et simulation pour des procédés moins énergivores

- Eco-conception : une approche intégrée couplant modélisation, analyse du cycle de vie et optimisation multi- objectif

  • Traditionnellement, la conception de procédés était guidée par des considérations techniques et microéconomiques. Cependant, ces deux types de critères ne suffisent plus et les critères environnementaux, qui apparaissaient plutôt en tant que contraintes, doivent désormais faire partie intégrante de la démarche d’éco conception.
  • Il s’agit donc de tenir compte des aspects environnementaux dès la conception d’un produit, d’un procédé ou d’un système, et lors de toutes les étapes de son cycle de vie, ce qui élargit les frontières du champ d’investigation classique du Génie des Procédés. Un point clé consiste en la prise en compte de critères nombreux et souvent antagonistes.


Exemple de front de pareto pour une analyse bi-critère coût - impact sur la couche d’ozone d’un procédé

  • Ces travaux, réalisés dans le cadre de la thèse de Fernando Morales Mendoza (2013) dans la continuité de celle de Adama Ouattara (2011) [1] ont abouti au développement d’un cadre méthodologique et générique d’éco-conception de procédés chimiques couplant des outils de modélisation et de simulation traditionnels de procédés (ProSimPlus, HYSYS, COCO, Ariane…), d’Analyse du Cycle de Vie (ACV), d’optimisation multi-objectif basée sur des Algorithmes Génétiques et enfin des outils d’aide à la décision multicritère (ELECTRE, PROMETHEE, M-TOPSIS).
  • L’approche proposée permet de généraliser, d’automatiser et d’optimiser l’évaluation des impacts environnementaux au stade préliminaire de la conception d’un procédé chimique. Trois étapes principales sont impliquées : les deux premières correspondent respectivement aux phases d’analyse de l’inventaire par bilans de matière et d’énergie et à l’évaluation environnementale par ACV.
  • Le problème du manque d’information ou de l’imprécision dans les bases de données classiques en ACV pour la production d’énergie, notamment sous forme de vapeur, a reçu une attention particulière. Une solution proposée consiste à utiliser un simulateur de procédés de production d’utilités (Ariane, ProSim SA) pour contribuer à alimenter la base de données environnementale en tenant compte des variations sur les conditions opératoires ou sur les technologies utilisées. Des sous-modules « énergie » sont ainsi proposés pour calculer les émissions relatives aux impacts liés à l’utilisation de l’énergie dans les procédés.
  • La troisième étape réalise la liaison entre les deux premières phases et l’optimisation multi-objectif qui met en jeu des critères économiques et environnementaux. Elle conduit à des solutions situées sur le front de Pareto à partir desquelles les meilleurs compromis sont choisis à l’aide de méthodes d’aide à la décision.
  • Le procédé de production de biodiesel à partir d’huiles végétales a servi d’illustration. Une stratégie à plusieurs niveaux a été mise en oeuvre pour analyser les comportements antagonistes des critères. Les principes de cette méthodologie ont été également retenus dans le cadre d’une collaboration avec le STLO pour l’écoconception dans le domaine de l’agroalimentaire (Thèse de Martial Madoumier, depuis 2012) et pour son application aux procédés de concentration/séchage du lait. Ils ont été utilisés pour la conception de champs de panneaux solaires photovoltaïques à grande échelle (collaboration avec le Laplace, BQR PRES OSSOLEMIO et thèse de Jorge Raul Perez Gallardo, 2013).


Eco-conception d’un parc photovoltaïque connecté au réseau

Contact :

Catherine AZZARO-PANTEL

Towards new products with a limited environmental impact

- This topic targets the development and the implementation of mono-objective or multi-objective optimization strategies linked to decision-making processes based on both deterministic and stochastic methods. They are used for technico-economic and environmental optimization aiming at optimal design of continuous or batch units or more generally the design of supply chains known as “green” or for the design of water or energy networks mutualized between several sites of production.


Example of methodological and generic framework for the eco-design of processes

Modeling and simulation for processes consuming less energy

- Eco-design : an integrated approach associating modeling, analysis of the life cycle and multi-objective optimization

  • Traditionally, the design of processes has been guided by technical and micro-economic considerations. However, these two types of criterion are no longer sufficient and the environmental criteria, which rather appeared as constraints, must now constitute an integral part of the eco-design approach.
  • It has thus become necessary to take into account the environmental aspects from the very moment the product, the process or the system is designed, and likewise during all the stages of its life cycle, which broadens the boundaries of the classical field of investigation of Process Engineering. One key point consists of taking into


Example of a Pareto front for a cost-impact bi-criterion analysis concerning the effect of a process on the ozone layer

  • These studies, carried out during the PhD work of Fernando Morales Mendoza (2013) continuing those of Adama Ouattara (2011) [1] led to the development of a methodological generic framework of eco-design for chemical processes associating traditional process simulation and modeling tools (e.g. ProSimPlus, HYSYS, COCO, Ariane), life cycle assessment (LCA), multi-objective optimization based on genetic algorithms and finally multi-criterion tools for aid in decision making (ELECTRE, PROMETHEE, M-TOPSIS).
  • The approach proposed here enables the generalization, automation and optimization of the evaluation of environmental impact at the early stages of the design of a chemical process. Three main steps are involved : the first two involve the phases of inventory analysis through mass and energy budgets and environmental evaluation by LCA.
  • The problem of the lack of information or of inaccuracies in the standard LCA databases for the production of energy, especially steam energy, was the focus of particular attention. One solution that was proposed was the use of a process simulator for utilities production (Ariane, ProSim SA) to continue feeding the environmental database taking into account variations in the operation conditions or in the types of process used. “Energy” sub-modules were thus proposed to calculate the emissions concerning the impact caused by the use of energy in processes.
  • The third step establishes the link between the first two steps and the multi objective optimization, which involves economic and environmental criteria. It leads to solutions located on the Pareto front. The best compromises are chosen using decision-making assistance methods.
  • The process of biodiesel production from vegetable oils was used as an illustration. A multi-level strategy was employed to analyze the antagonistic behavior of the criteria. The principles of this methodology are the basis of a collaboration with the STLO for eco-design in the agro-food sector (PhD : Martial Madoumier, started 2012) and for its application to processes to concentrate or dry milk. They were used for the design of large photovoltaic parks (collaboration with the laboratory Laplace, BQR PRES OSSOLEMIO and PhD : Jorge Raul Perez Gallardo, 2013).


Eco-design of a solar PV power system connected to the mains network