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La production de ciment est un processus à forte intensité énergétique. En Afrique du Sud, le coût
de l'énergie a augmenté depuis 2006, alors que les ventes de ciment ont chuté de manière
spectaculaire. Il est devenu important de se concentrer sur les méthodes permettant d'optimiser la
consommation d'énergie afin de réaliser des économies dans l'industrie du ciment. Diverses
méthodes permettant de réduire le coût de production en améliorant l'efficacité énergétique sont
disponibles, mais elles nécessitent des périodes d'installation prolongées et des dépenses
d'investissement initiales élevées. D'autres méthodes, telles que l'optimisation opérationnelle,
peuvent réduire le coût de production, mais n'offrent que des économies limitées.
L'objectif de cette étude est d'intégrer l'optimisation des opérations de plusieurs composants afin
d'améliorer les économies et de réduire les interruptions pendant la mise en œuvre. Bien que des
modèles d'optimisation intégrée aient été développés, aucune littérature n'a pu être trouvée sur
l'application de ces modèles dans l'industrie du ciment.
Cette thèse porte sur le développement et la mise en œuvre d'un système de gestion de l'énergie
dans quatre cimenteries sud-africaines. Les coûts totaux d'électricité ont été réduits sans installer de
coûteuses mises à niveau des infrastructures. Les résultats résument le succès de l'amélioration de la
planification de la production. Une conclusion concernant la faisabilité de cette mise en œuvre est
compilée en comparant les économies réalisées par la mise en œuvre du système de gestion de
l'énergie à d'autres méthodes d'économie d'énergie. Des recommandations sont également faites
pour une étude plus approfondie et la mise en œuvre du système de gestion de l'énergie dans des
industries similaires.
Mots-clés : modèle énergétique intégré, cimenterie, système de gestion de l'énergie

Ce mémoire est présenté sous la forme d'un article de recherche, avec une discussion de synthèse
préalable. La discussion consolidante fournit des informations plus détaillées pour mieux
contextualiser l'article. L'article de recherche est actuellement en cours d'évaluation par la revue
accréditée par l'ISI, Applied Energy (facteur d'impact = 5,11). Le manuscrit non publié et la lettre de
l'éditeur sont joints (voir Annexe A). Les co-auteurs sont le Prof. E.H. Mathews, le Prof. L. Liebenberg
et le Dr J.C. Vosloo.
L'article porte sur un système de gestion de l'énergie récemment développé pour gérer les
opérations d'une usine de production de ciment. Ce système de gestion de l'énergie a été développé
conformément aux normes actuelles de gestion de l'énergie et mis en œuvre dans quatre
cimenteries sud-africaines. L'effet de l'optimisation des programmes d'exploitation et de l'application
de ces programmes sur les opérations quotidiennes des installations industrielles a été déterminé
pendant une période d'essai de trois mois.
Je voudrais remercier le Seigneur mon Dieu pour les opportunités qui m'ont été accordées et la
capacité de saisir ces opportunités. Je le fais dans une humble louange afin de mettre en valeur Sa
gloire. - Je voudrais remercier le Professeur E.H. Mathews et TEMM International (Pty) Ltd pour
m'avoir donné l'opportunité et les moyens de réaliser l'étude documentée dans cette thèse. - Je
voudrais remercier le Professeur L. Liebenberg pour ses conseils et son aide inestimables. - Je tiens à
remercier les membres de l'équipe qui m'ont aidé à développer et à mettre en œuvre le système de
gestion de l'énergie qui sert de sujet à cette étude. En particulier le Dr. J.C. Vosloo pour ses conseils
et son soutien, R Maneschijn pour son dévouement et son travail acharné et tous les autres
ingénieurs de projet impliqués dans la mise en œuvre des quatre études de cas considérées. - Je tiens
à remercier mes parents pour leur motivation, leur soutien et leur amour.

1. PRODUCTION DE CIMENT EN AFRIQUE DU SUD
1.1. PRÉAMBULE
La production de ciment est un processus à forte intensité énergétique, 20 à 40% des coûts totaux
étant alloués à l'énergie et 17% à l'électricité [1.1, 1.2]. En raison de l'augmentation rapide du coût
de l'électricité en Afrique du Sud (voir figure 1) et du coût international du charbon (voir figure 2) -
disproportionnée par rapport à l'inflation - le coût de production augmente. Outre l'augmentation
globale du coût de production du ciment, les ventes de ciment en Afrique du Sud ont chuté de
manière spectaculaire depuis 2006/2007 (comme le montre la figure 3). Ces deux facteurs ont
motivé une étude approfondie des projets réalisables qui peuvent être mis en œuvre pour diminuer
le coût énergétique lors de la production de ciment.
"Diverses nouvelles technologies sont disponibles qui permettent à l'industrie de la fabrication du
ciment de fonctionner plus efficacement [2]. Ces technologies sont disponibles pour divers
composants, notamment les broyeurs, les fours et le transport par convoyeur [2, 19]. La plupart de
ces technologies nécessitent l'installation de nouveaux équipements et offrent des économies
d'énergie électrique moyennes comprises entre 1 kWh et 5 kWh par tonne [20-22]. Dans une analyse
du cycle de vie, Valderrama [18] a indiqué que la mise en œuvre des meilleures technologies
disponibles (MTD) a permis de réduire la consommation d'électricité pour la production de clinker de
76 kWh à 69 kWh par tonne. Ces installations sont toutefois coûteuses et nécessitent des arrêts de
production prolongés [11, 12]. Le temps de retour sur investissement de ces installations est souvent
supérieur à 10 ans [21]..." [1.3].
Une autre technique pour réaliser des économies d'énergie consiste à améliorer les systèmes de
contrôle. Ces systèmes optimisent le fonctionnement de certains composants, assurant ainsi un
fonctionnement stable et optimal [1.7]. Des économies de 1,4 kWh à 6 kWh par tonne peuvent être
réalisées [1.4-1.7]. Valderrama [1.8] a rapporté une réduction de 4 % des émissions de CO2 en
mettant en œuvre les meilleures technologies disponibles (MTD). Des réductions des émissions de
NOx, SO2 et de poussières de 20,5%, 54% et 84% respectivement sont également possibles [1.3].
Les coûts de l'électricité peuvent être réduits en révisant les programmes d'exploitation [1.9]. La
tendance de la consommation nationale d'électricité en Afrique du Sud (voir la figure 4) illustre deux
pics clairs de la demande d'électricité. En réduisant ces pics d'une industrie individuelle, la demande
nationale maximale sera également réduite. Cela contribuera à limiter les émissions nationales. Pour
encourager la réduction de la demande de pointe, la compagnie d'électricité sud-africaine a utilisé
une structure tarifaire basée sur le temps d'utilisation (TOU).
L'optimisation de l'exploitation de l'électricité permettra de réduire les pics de demande et de
diminuer le coût de l'électricité. Cet objectif peut être atteint par la reprogrammation des opérations
et la mise en œuvre efficace du transfert de charge de la production. Le problème devient complexe
en raison des objectifs de production variables, des calendriers de maintenance, des pannes
d'équipement, de la production de l'usine et des contraintes de stockage. Une solution possible est
d'observer les contraintes opérationnelles pour être en mesure de reprogrammer les opérations afin
de réduire le coût énergétique de la production. Cette méthode peut permettre une mise en œuvre
rentable sans aucun arrêt de la production.

La littérature récente fait état du développement de techniques de modélisation utilisées par des
usines continues où les contraintes d'énergie et d'électricité étaient présentes. Les modèles
montrent que le fonctionnement efficace d'une usine peut minimiser le coût énergétique.
Cependant, aucune littérature n'a pu être trouvée sur l'application de ces techniques à une usine de
production (comme les installations utilisées dans la production de ciment). Les techniques ne sont
pas non plus appliquées en pratique dans les usines physiques pour réduire le coût de production.
1.2. OBJECTIFS DE L'ÉTUDE
L'objectif de cette étude est de développer un modèle d'opérations discrètes et d'appliquer ce
modèle en utilisant un système intégré de gestion de l'énergie (ENMS) pour optimiser
l'ordonnancement des composants afin de minimiser le coût énergétique des opérations pendant le
processus de production du ciment. Les avantages d'un ENMS sont les suivants
- Réduction du coût énergétique du processus de production du ciment,
- Pas d'installation de mises à niveau majeures des infrastructures,
- Intégration des contraintes de maintenance, de production et de répartition,
- Réduction du coût total d'exploitation et de production.
La méthode de modélisation présentée par Castro et al. [1.9] et Mitra et al. [1.10] a été appliquée à
des processus chimiques continus, mais jamais à des environnements de planification et
d'ordonnancement de la production. L'objectif de cette étude est de développer une méthode de
modélisation des opérations d'une usine de production, et d'appliquer cette méthode sur des usines
de production industrielle dans l'industrie du ciment. Pour permettre l'application de ce concept de
modélisation, une approche de modélisation différente sera explorée afin d'atteindre une solution
d'ordonnancement optimale comme discuté par Castro [1.9] et Mitra [1.10].
1.3. HYPOTHÈSES DE BASE
Les hypothèses de base suivantes sous-tendent l'étude :
- La modélisation intégrée du fonctionnement d'une usine de production peut réduire le coût
énergétique,
- L'utilisation d'un ENMS pour mettre en œuvre cette méthode de modélisation dans une cimenterie
de production de ciment peut contribuer à la réduction du coût total alloué à l'énergie sans les
objectifs de production ou les programmes de maintenance,
- aucun arrêt de production n'est nécessaire pour mettre en œuvre le système de modélisation, et
- le délai d'amortissement de l'installation est instantané.
- Le modèle de gestion et d'ordonnancement est un outil de gestion de l'énergie idéal et
recommandé.

1.4. QUESTION DE RECHERCHE
A la lumière de ces hypothèses de base, la question de recherche suivante a été formulée afin de
guider l'étude :
Comment la modélisation pour l'optimisation énergétique intégrée dans les usines de production de
ciment peut-elle réduire les coûts énergétiques sans modifier les programmes de maintenance ?
1.5 ÉTENDUE DE L'ÉTUDE
Le développement et la mise en œuvre d'une nouvelle approche de modélisation comportent
plusieurs étapes. Ces étapes comprennent l'identification du contexte et du problème, l'optimisation
des composants, la mise en œuvre, la mesure et la vérification. L'identification et le développement
du problème seront analysés plus en détail, mais l'optimisation, la mesure et la vérification des
composants ne seront pas explorées en profondeur.
Cette étude est présentée sous la forme d'un article de recherche qui est inclus dans l'annexe B.
L'article est mis en contexte dans les chapitres qui suivent. La discussion incluse dans ces chapitres
fournira une description plus détaillée du contexte et de la pertinence de l'étude que celle décrite
dans l'article de recherche.
Production de ciment et concepts importants
2. CEMENT PRODUCTION AND IMPORTANT CONCEPTS
Le processus de production du ciment consomme différentes formes d'énergie. Pendant la
calcination, des combustibles fossiles sont utilisés pour chauffer le four à des températures
permettant de brûler la pierre à chaux brute. Ces combustibles fossiles comprennent le fioul, le
charbon et le gaz naturel. En Afrique du Sud, le charbon est abondant et moins coûteux que les
autres combustibles fossiles. C'est pourquoi le charbon constitue le principal combustible pour les
calcinations dans le processus de production du ciment en Afrique du Sud. Le charbon est également
la principale dépense lorsqu'on considère la consommation d'énergie. La deuxième forme de
consommation d'énergie est l'électricité. Divers moteurs électriques utilisent l'électricité pour
entraîner les composants et les équipements de broyage tels que les broyeurs, les concasseurs, les
grands ventilateurs, les compresseurs et les systèmes de transport par convoyeur. En dehors de ces
deux formes primaires de consommation d'énergie, l'énergie est également consommée sous forme
de carburant. Les équipements d'excavation et le transport post-production consomment du
carburant sous forme de diesel ou d'essence.
Pour améliorer l'analyse de la consommation d'énergie tout au long du processus de production du
ciment, celui-ci peut être subdivisé en diverses unités opérationnelles indépendantes remplissant des
fonctions spécifiques pendant la production du ciment.
2.1. DISPOSITION ET COMPOSANTS DE LA CIMENTERIE
Le calcaire est la principale matière première utilisée pour la production de ciment. Une meilleure
compréhension du fonctionnement et de l'interdépendance des différentes unités peut être obtenue
en suivant le parcours du calcaire au cours du processus de production [2.1].
Le schéma de base d'une cimenterie par voie sèche est présenté à la figure 5 pour illustrer le
parcours du calcaire.
2.2. CONSOMMATION D'ÉNERGIE DANS UNE CIMENTERIE