Les jumeaux numériques prennent de l’importance dans le secteur de l’eau

Les jumeaux numériques et l’intelligence artificielle (IA) joueront à l’avenir un rôle croissant pour les acteurs du secteur de l’eau. C’est l’avis d’Ingmar Nopens, professeur à l’UGent et spécialiste en « analyse et optimisation de processus basées sur des modèles ».

Depuis 20 ans, le professeur Ingmar Nopens mène à l’Université de Gand (UGent) de nombreuses recherches sur la numérisation dans l’industrie de l’eau. Il possède une grande expérience dans la modélisation physique et la numérisation et observe toute une série de tendances manifestes. « La numérisation est en plein essor », dit Nopens. « Je reçois de plus en plus de demandes en matière de numérisation de la part d’entreprises spécialisées dans les technologies de l’assainissement de l’eau. Elles souhaitent joindre un volet numérique à leur solution technologique. Ainsi peuvent-elles fournir ce service à leurs clients. Cependant, elles ne savent pas toujours par où commencer et avec quels partenaires. Mais il existe déjà de nombreuses connaissances assez matures pour être mises en pratique. Il serait dommage de ne pas en profiter. Mon objectif est donc de mettre concrètement en application les résultats des analyses. »

La spin-off AM-Team

Pour mettre en pratique ses connaissances, Ingmar Nopens a créé en 2017 l’entreprise AM-Team, une spin-off de l’UGent, avec deux PhD tout juste diplômés à l’époque. Depuis, l’entreprise est active dans le monde entier notamment aux Pays-Bas, aux États-Unis, au Japon et en Nouvelle-Zélande. Elle se spécialise dans la mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics ou CFD). « C’est une approche très intéressante pour la conception et l’extension d’installations », dit Nopens. « La CFD peut notamment servir dans la conception de réacteurs et de nouvelles techniques. C’est ce qu’on appelle du ‘model-based design’ (MBD). Cela nous permet d’améliorer le fonctionnement d’installations qui ne fonctionnent pas bien, voire même d’intégrer la qualité au stade de la conception de nouvelles installations. Traditionnellement, la CFD est surtout utilisée dans l’aéronautique, l’aviation et l’automobile. Nous l’avons plus récemment introduite également dans le secteur de l’eau. Nous examinons par exemple le comportement de mélange de réacteurs et de grands bassins de captages d’eau potable, mais les applications sont multiples. Nous ne simulons pas simplement l’hydrodynamique, mais nous l’associons aussi à la cinétique des processus, en fonction des objectifs du client. C’est un outil puissant qui vous permet de modifier de nombreuses choses et surtout d’améliorer leur efficacité vis-à-vis de l’exploitation des ressources au sens large. »

Pilotage virtuel

Nopens perçoit aussi de nombreuses possibilités dans le pilotage virtuel. « Beaucoup de développements technologiques commencent à l’échelle labo », dit-il. « Puis on passe habituellement à l’échelle pilote avant un lancement à grande échelle. Pour des processus que l’on connaît bien, on peut tirer quelques bénéfices en réalisant les conceptions sur ordinateur et réduire fortement la phase pilote physique, ce qui représente un gain de temps. Cela peut sensiblement raccourcir le délai de commercialisation pour les entreprises technologiques. C’est un aspect très appréciable. J’avais déjà eu cette idée il y a 10 ans et aujourd’hui, nous en voyons concrètement les premières applications effectives. Et les clients qui l’appliquent comprennent immédiatement la valeur et la puissance de cette approche. Elle est intéressante aussi bien pour les responsables de l’épuration des eaux et les stations d’épuration industrielles que pour les technologies de production d’eau potable.

Jumeaux numériques

Avec son groupe de recherche de l’UGent BIOMATH et l’AM-Team, Nopens mise pleinement sur les modèles mécanistiques et les jumeaux numériques (digital twins). « Un jumeau numérique permet d’obtenir une simulation du fonctionnement d’un système dans la réalité », dit-il. « Nous traduisons un système en une série d’équations mathématiques. On peut alors vérifier en mode virtuel tout ce que fait le système ou la technologie. Ainsi pouvons-nous par exemple nous faire une meilleure idée du comportement local et des performances d’un bioréacteur et nous pouvons réaliser des visualisations compréhensibles sous tous les angles (voir les illustrations). Nous pouvons mieux comprendre ce qu’il se passe effectivement dans le grand volume de boues actives. Comment se comporte un aérateur ou un mélangeur, est-ce idéal ou peut-on envisager un meilleur emplacement ? Certains détails peuvent avoir ici un très gros impact, alors que beaucoup de gens supposent souvent intuitivement que ce n’est pas le cas. Nous pouvons par exemple réaliser une vue en coupe d’un château d’eau et regarder comment l’eau s’y déplace et combien de temps elle y séjourne. » « Nous pouvons élaborer des jumeaux numériques pour pouvoir modéliser la gestion et la réutilisation de l’eau dans des systèmes industriels, les analyser, les optimiser et les contrôler. On peut à cette occasion déterminer également quel processus de production a besoin de quelle qualité d’eau et à partir de quelle ressource on pourra obtenir le meilleur résultat (water fit-for-purpose). Comment nous devrons réaliser cette approche au plan technologique et comment nous pourrons piloter tout cela. A ce stade, la conduite de processus et la collecte de données montrent également tout leur intérêt en tant que piliers de la numérisation. Tous ces aspects vont prendre de plus en plus d’importance. »

Scada

L’UGent mène aussi des recherches pour implémenter efficacement des jumeaux numériques dans le système Scada. « On fait tourner un modèle en parallèle qui est alimenté en temps réel avec des données mesurées », explique Nopens. « On fait calculer le modèle en parallèle comme un jumeau, il sert d’outil d’aide à la décision pour aider l’opérateur à prendre certaines décisions. A Singapour, une équipe a essayé de faire tourner le jumeau numérique en parallèle et en temps réel. Ce n’est pas évident. Nous menons actuellement un projet similaire avec l’agence de l’eau De Dommel pour un assainissement communal, ainsi qu’avec Pantarein Waterzuivering pour une station d’épuration industrielle. Ce dernier projet s’inscrit dans un trajet Vlaio qui a pour objectif de mieux comprendre le système, l’optimiser et améliorer sa rentabilité. C’est une demande que nous recevons de plus en plus souvent de la part de partenaires industriels. »

Intelligence artificielle

Ingmar Nopens pense aussi que l’intelligence artificielle (IA) réserve de nombreuses possibilités dans le secteur de l’eau. Depuis 2020, il travaille également à temps partiel pour Cobalt Water, une entreprise fondée en 2015 et possédant des filiales à New York et à Gand. « L’IA est un ensemble de techniques de modélisation basées sur les données (notamment les modèles statistiques, l’apprentissage machine, les réseaux neuronaux,...) », dit Nopens. « On peut accumuler des connaissances mécanistiques mais ce faisant, il faut parfois attendre longtemps avant de disposer de connaissances détaillées sur un système. Pour pouvoir exploiter toutes les connaissances actuelles en plus de ces parcours de recherche de longue haleine, les modèles basés sur les données sont très intéressants lorsqu’on veut pouvoir contrôler davantage un assainissement en détectant et en utilisant des séquences dans les données collectées. Le passage de l’épuration classique de l’eau à la récupération des ressources impose d’élaborer des modèles de nouveaux processus. Je suis convaincu qu’il faut dans ce cas se tourner plutôt vers un modèle hybride. Il s’agit d’une combinaison d’un modèle mécanistique et d’un modèle basé sur les données : c’est une piste intéressante pour développer plus rapidement un premier bon modèle candidat. On peut alors l’utiliser pour l’optimisation mais aussi pour la conduite de processus. Ce dernier aspect prend aussi de l’importance. Avec Cobalt Water, nous voulons aussi mettre plus rapidement en pratique ce genre de connaissances et d’expertise. »

Bien associer le problème et les techniques d’IA

Les applications d’intelligence artificielle dans le secteur de l’eau sont encore partiellement en phase d’essai. Selon Nopens, la Flandre mise beaucoup sur l’IA mais pas encore largement dans le secteur de l’eau. « Cela pourrait apporter une plus-value aux nombreuses données collectées par les entreprises », dit-il. « Elles recueillent souvent d’innombrables données en temps réel. Elles sont assises sur des montagnes de données qu’il faut ensuite explorer. D’où le concept d’exploration de données ou data-mining. Ceci pour éviter de finir avec des « cimetières de données » où l’on passe à côté des informations importantes. Mais il faut bien sûr savoir ce que l’on recherche précisément et ce n’est pas toujours évident. « Nous voyons les géants de l’informatique comme IBM et Microsoft s’intéresser au marché de l’eau mais bien souvent, ils n’ont que peu de connaissances des processus, voire aucune. Les entreprises recrutent des scientifiques experts en données mais s’ils ne connaissent pas les processus, cela n’avance pas les choses.

Idéalement, on a besoin aussi bien de connaissances sur les processus que de connaissances en matière d’intelligence artificielle. On manque d’ailleurs de gens possédant ces deux compétences. Il faut savoir dénicher ces oiseaux rares capables d’aborder ces deux aspects. Là encore, il est sans doute préférable de confier cette tâche à des sociétés spécialisées. On ne peut pas tout concevoir et tout conserver en interne. Et peut-être n’y a-t-il pas non plus assez de travail spécifique pour ces personnes dans un environnement dont ce n’est pas le cœur de métier. »

IA et protoxyde d’azote

Pour donner un exemple concret, l’IA et les jumeaux numériques peuvent offrir une solution pour des installations d’épuration de l’eau qui produisent trop de protoxyde d’azote. « Grâce à l’IA, on peut prendre un raccourci et évaluer la quantité de protoxyde d’azote qui sort d’un réacteur », dit Nopens. Comment le protoxyde d’azote est-il produit dans des installations d’épuration de l’eau ? « Il y a plusieurs possibilités mais si par exemple la nitrification et la dénitrification ne se déroulent pas correctement, cela entraîne à un stade intermédiaire une production de protoxyde d’azote », explique Nopens. « Il se dégage alors du réacteur sous forme de gaz. Mais une forte libération de protoxyde d’azote est néfaste pour le climat, car ce gaz a un impact sur l’effet de serre 300 fois supérieur au CO2. Au Royaume-Uni, au Danemark et aux Pays-Bas, on s’intéresse déjà beaucoup à la régulation du protoxyde d’azote dans le cadre de la neutralité carbone et du Green Deal. Chez nous aussi, on va se pencher sur la question. Nous menons des recherches depuis 10 ans et la communauté scientifique a partiellement mis en évidence les mécanismes du processus. Mais avec l’IA et les modèles hybrides, nous pouvons d’ores et déjà faire des recommandations pour atteindre des réductions significatives de ces émissions.

Régulations intelligentes

Selon Nopens, l’IA et les jumeaux numériques peuvent aussi rendre plus intelligentes les régulations des sociétés de production d’eau potable ou des stations d’épuration d’eau. « Actuellement, les régulations sont plutôt ‘stupides’. On mesure les concentrations d’oxygène et on les compare à une valeur cible. En cas d’erreur, on va soit la multiplier selon un certain facteur, soit l’intégrer ou la déduire. On va donc la soumettre à de simples opérations mathématiques. Cela peut se faire ‘plus intelligemment’ en passant à une régulation basée sur des modèles. Quand on connaît la cause sous-jacente de la déviation, on peut utiliser cette connaissance sous la forme d’un modèle pour la porter à la valeur cible de manière plus optimale. Avec une régulation intelligente, on peut aussi y associer un coût, ce qui permet d’atteindre la valeur cible mais à un coût minimal. On peut aussi appliquer des critères plus précis pour effectuer une régulation plus intelligente et si certaines grandeurs sont difficiles à mesurer, on peut utiliser un capteur logiciel, ce qui constitue de nouveau un modèle. »

CAPTURE

L’UGent effectue elle-même aussi des recherches continues sur de nouvelles solutions technologiques, notamment dans le cadre de CAPTURE, une plateforme de recherche et d’innovation de l’UGent, du VITO, de l’UAntwerpen et de la VUB. CAPTURE concentre ses recherches sur la circularité du CO2, des plastiques et de l’eau. « Au sein de CAPTURE, nous avons un programme water-fit-for-purpose », dit Nopens. « Nous adaptons des technologies nouvelles ou existantes, dans la perspective de la réutilisation de l’eau en milieu urbain ou industriel. Dernièrement, nous avons également défini un programme sur l’eau numérique. Nous regroupons des personnes et des connaissances provenant des diverses institutions partenaires pour travailler conjointement sur ces thèmes plutôt que de façon morcelée. Nous allons relier les technologies par voie numérique et perfectionner les modèles. Par ailleurs, nous nous intéressons également à la réutilisation. Nous nous penchons aussi sur l’épuration industrielle au sein des entreprises. Au lieu de nous intéresser simplement à l’épuration, nous examinons l’intégration des circuits d’épuration et l’utilisation de l’eau dans le site industriel. Et comment on peut y répondre pour en fin de compte pouvoir d’une part réutiliser l’eau et d’autre part récupérer éventuellement des composants contenus dans les flux liquides. Cela suppose d’aborder de nombreux aspects. » Et si on poursuit sur cette lancée, on peut chaque fois transposer le concept à une plus grande échelle (par exemple, les terrains d’entreprises, la gestion des eaux urbaines) et rationaliser tout cela par exemple en recourant à des ontologies. Ces dernières permettent d’ailleurs aussi de faire le lien avec d’autres questions comme l’énergie, la mobilité, etc.

Prédisposition

Le professeur concède que beaucoup de choses dépendent de la prédisposition des entreprises à investir dans ces solutions numériques. « Tout dépend toujours largement de l’état d’esprit des gens dans ces entreprises et ces organisations vis-à-vis de la numérisation », dit-il. « Mais en fin de compte, chacun devra participer à cette transition numérique. Une bonne feuille de route constitue un bon point de départ pour prendre en compte tous les aspects de la numérisation. Mais les exemples sont légion : compteurs numériques, détection de fuites, application de suivi de la consommation d’eau pour mieux sensibiliser les gens et favoriser une gestion parcimonieuse de l’eau, systèmes tampons régulés,... Tous les acteurs du secteur de l’eau et de la politique doivent agir dans le même sens. Il faut exploiter au maximum les connaissances existantes. Et nous devons éviter les blocages et réfléchir dès le départ à un niveau supérieur. »

capture-resources.be

am-team.com

http://www.cobaltwater-global.com