Consommations et coûts associés à l’exploitation du réseau de froid urbain

2.3 Caractérisation des dynamiques d’un réseau de froid ... 39

3 Modélisation des composants physiques du réseau de froid urbain ... 40

3.1 Équations de conservation pour la modélisation thermo -hydraulique ... 40 3.2 Groupes frigorifiques positifs avec compresseur centrifuge ... 43 3.3 Pompes centrifuges à vitesse variable ... 49 3.4 Échangeurs de chaleur eau/eau à contre-courant ... 51 3.5 Tours aéroréfrigérantes ouvertes avec ventilateurs ... 54 3.6 Tuyaux ... 57 3.7 Sous-stations ... 63

4 Construction du modèle de simulation du réseau de froid urbain ... 67

4.1 Choix d’un outil adapté pour la construction et la simulation du modèle ... 67 4.2 Modèle de simulation du réseau de froid urbain ... 69 4.3 Retour d’expérience concernant la simulation du modèle ... 79

5 Conclusion ... 85

Les choix de modélisation à l’échelle des composants et la construction du modèle de simulation sont présentés dans ce chapitre. Le fonctionnement du modèle de simulation du réseau de froid urbain avec une centrale de produc- tion pilotée en boucle ouverte est vérifié sur les fonctionnalités principales attendues pour l’aide à la conduite.

1 Introduction

Quels modèles offrent un compromis satisfaisant entre précision, fonctionna- lités, temps de calcul et facilité du paramétrage pour l'aide à la conduite jour- nalière des réseaux de froid urbain ? Les choix de modélisation à l’échelle des composants et la construction du modèle de simulation, présentés et justifiés dans ce chapitre, apportent une réponse et représentent la première contribu- tion de la thèse.

Une analyse préliminaire est réalisée afin d’identifier les composants sur lesquels concentrer l’effort de modélisation et afin de limiter le périmètre du modèle aux phénomènes et dynamiques les plus importantes. Pour chaque composant, les variables d’entrées décisionnelles ou exogènes et les sensibi- lités ayant un impact sur les coûts énergétiques et économiques du réseau de froid sont explicitées et intégrées dans le modèle associé. En particulier, un modèle de groupe frigorifique centrifuge de la littérature a été modifié et un modèle de sous-station simplifié est également présenté. Les paramètres à ré- gler sur les composants sont également exposés en vue du paramétrage et de la validation au Chapitre 3.

De nombreux travaux dans la littérature ont été réalisés à l’échelle du réseau ou des centrales de production (G. Sandou 2005). L’approche de mo- délisation retenue dans cette thèse est globale, i.e. elle intègre la chaine tech- nologique du réseau de froid : centrale de production, réseau de distribution, postes de livraisons et régulation centralisée. Par conséquent, le travail d’as- semblage du modèle de simulation requiert une gestion de la complexité : la méthodologie et les outils utilisés pour la construction du modèle global sont présentés. Un retour d’expérience est également livré sur les difficultés et les solutions apportées pour la simulation numérique. Une méthodologie empi- rique de simplification du modèle de réseau de distribution est présentée, of- frant ainsi deux niveaux de détail, à retenir en fonction de l’utilisation sou- haitée.

2

Phénomènes à modéliser pour l’aide à la conduite

du réseau de froid urbain

2.1

Consommations et coûts associés à l’exploitation du

réseau de froid urbain

La performance énergétique du réseau de froid urbain se définit comme le rapport entre l’énergie frigorifique livrée aux sous-stations et l’énergie élec- trique consommée dans les centrales de production. Elle est fonction du ren- dement des équipements énergétiques (groupes frigorifiques à compresseur centrifuge, pompes de circulation et ventilateurs des tours aéroréfrigérantes), du rendement du réseau de distribution (déperditions thermiques et dissipa- tion des pertes de charge en chaleur), de la demande (répartition spatio-tem- porelle et fonctionnement du circuit secondaire) et de la conduite mise en œuvre par l’opérateur de conduite. Ces sensibilités sont analysées et intégrées aux modèles de composants dans la section 3.

Les coûts associés à l’exploitation du réseau – critères de la fonction de coût de l’optimiseur - sont, au premier ordre, proportionnels aux consom- mations d’électricité et d’eau. L’analyse préliminaire de ces postes de consom- mation permet de s’approprier quelques ordres de grandeurs utiles au travail de modélisation. Les termes de maintenance et de taxe sont de second ordre et ne sont pas traités dans cette première approche. Les hypothèses utilisées sont décrites dans le Tableau 7.

Hypothèse Valeur Unité

Rendement réseau 95% MWh froid / MWh froid

Utilisation des centrales EDS / TAR 3 MWh froid / MWh froid

EER de la centrale EDS 4.5 MWh froid / MWh élec

EER de la centrale TAR 3.5 MWh froid / MWh élec

Conso. d’eau de la centrale TAR 2 m3_{/MWh froid}

% conso. élec. GF sur centrale EDS / TAR 75% MWh élec / MWh élec

% conso. élec. pompes sur centrale EDS 25% MWh élec / MWh élec

% conso. élec. pompes sur centrale TAR 15% MWh élec / MWh élec

% conso. élec. ventil. sur centrale TAR 10% MWh élec / MWh élec

Prix élec. 60 €/MWh

Les valeurs sont cohérentes avec les moyennes relevées sur le cas d’étude du réseau de froid de Paris-Bercy, avec une estimation des perfor- mances attendues de la centrale à TAR, mise en service récemment. L’analyse peut être généralisée aux réseaux de froid de taille moyenne équipés de deux centrales de production fonctionnant principalement avec des machines fri- gorifiques électriques à compression de vapeur. La conduite du réseau se tra- duit explicitement par l’utilisation des centrales répartition de production) et par l’EER de chaque centrale.

Une description des flux énergétiques est présentée sur la Figure 14. Les flux sont calculés à partir des hypothèses - utilisées comme facteurs de conversion chaud/froid et clé de répartition des consommations électriques - et de bilans de conservation de l’énergie à chaque nœud pour un volume ar- bitraire MWh d’énergie frigorifique livrée. Le périmètre du système étu- dié est délimité par l’interface aux milieux extérieurs alimentation électrique, bâtiments climatisés, environnement de pose des tuyaux, source de refroidis- sement des condenseurs). Les déperditions thermiques sont entendues comme les flux de chaleur entre le milieu extérieur et l’eau glacée des tuyaux. Dans cette approche, les pompes sont supposées sans pertes et l’énergie de pompage se dissipe en chaleur dans la boucle d’eau associée. Il faut alors no- ter le rôle des pompes sur la boucle d’eau glacée : plus de besoins en pompage impliquent plus de consommations électriques à la fois sur les pompes et sur les groupes frigorifiques.

La répartition des consommations électriques et des coûts (énergie et eau) sur une année est illustrée respectivement sur la Figure 15 et la Figure 16.

Figure 15 : Répartition des consommations électriques annuelles sur le réseau de froid étu- dié (refroidissement à eau de Seine et à tours aéroréfrigérantes)

Figure 16 : Répartition des coûts annuels associés à l’énergie et à l’eau sur le réseau de froid étudié (refroidissement à eau de Seine et à tours aéroréfrigérantes)

75%

22%

3%

Répartition des consommations électriques annuelles

sur le réseau de froid étudié

Consommation électrique - GF

Consommation électrique - Pompes

Consommation électrique - Ventilateurs

66%

19%

3%

_12%

Répartition des coûts annuels associés à l'énergie et à

l'eau sur le réseau de froid étudié

Consommation électrique - GF Consommation électrique - Pompes Consommation électrique - Ventilateurs Consommation eau

Le principal poste de consommation électrique d’un réseau de froid urbain de taille moyenne et équipé de deux centrales de production (refroi- dissement par eau de rivière et par tours aéroréfrigérantes) est le parc de groupes frigorifiques. L’effort de modélisation et de paramétrage est à porter en priorité sur ces équipements afin d’identifier des stratégies de pilotage pour optimiser leur utilisation. La consommation électrique des pompes et la consommation d’eau des TAR sont des postes de coûts moins importants mais significatifs, justifiant l’usage de modèles adaptés. Les pertes du réseau, dé- perditions thermiques des tuyaux et dissipation des pertes de charge en cha- leur, induisent une production d’énergie frigorifique supplémentaire. Un mo- dèle de réseau (tuyaux et sous-stations) est alors nécessaire pour explorer les stratégies de gestion de la distribution minimisant ces pertes. Il découle de ces considérations les questions suivantes : Quel est le niveau de représenta- tion adaptée au calcul de ces consommations électriques et de ces coûts ? En particulier, quels domaines physiques sont mis en jeu ?