Dimensionnement du stockage sur une année type

L’étude de cas est élargie afin d’analyser le dimensionnement du stockage sur une année type. Suite à l’étude précédente, un compromis entre le temps de calcul et la précision est fait. Comme démontré dans le paragraphe précédent, le dimensionnement du stockage est peu sensible quand à l’horizon de temps choisi pour représenter la demande journalière. Un pas de temps de deux heures ( 12 périodes pour représenter un jour) est donc suffisant pour représenter les pics journaliers.

L’année est représentée par 8 macro-périodes, autrement dit 8 jours types entre lesquels le transfert de chaleur (via le stockage) n’est pas permis. 2 jours d’hiver, 2 jours de printemps, 2 jours d’été et 2 jours d’automne sont donc considérés.

Le problème à résoudre contient donc 12 x 8 = 96 périodes.

Figure 44 Besoins en chauffage et ECS pour une année type

La Figure 44 montre la demande de chaleur en fonction du temps. Les points relevés représentent les besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire et varient de 13.5 MW en été et 44.5 MW maximum en hiver. Les mêmes limitations aux niveaux de températures et des puissances maximales, déjà représentés sur le Tableau 6 sont considérés. Les mêmes hypothèses sur les coûts d’investissement et d’exploitation sont aussi prises en compte.

7.4.1. Cas de référence

Dans un premier temps, une optimisation est effectuée sans aucun moyen de stockage, afin de caractériser le cas de référence. La Figure 45 montre les résultats en termes de fourniture de la demande par les différents moyens de production pour chaque pas de temps.

Figure 45 Mix de production pour le cas de référence

La température de départ du réseau varie entre 95 et 80 ° C, et la température de retour entre 80 et 65 ° C.

Il est observé que la chaudière à biomasse et l'incinérateur ne peuvent pas fournir la totalité de la puissance nécessaire pendant les périodes froides, ce qui entraîne l'utilisation de la chaudière à gaz (Figure 45). En période estivale, la demande de chaleur est assez faible et correspond à la demande de l’eau chaude sanitaire. Dans ce cas la, l’incinérateur seul peut fournir la totalité de l’énergie demandée.

Les résultats du scénario de référence en ce qui concerne le mix énergétique et les coûts totaux sont présentés dans le tableau ci-dessous:

Tableau 13 Production de chaleur par moyen et coûts totaux pour le cas de référence Demande (MWh) Incinérateur (MWh) Chaudière biomasse (MWh) Chaudière gaz (MWh) Ratio d’énergie renouvelable Coût (k€) 5596.63 4715.35 737.76 143.52 97.44% 82.17

La chaudière à gaz produit 143.52 MWh afin de pouvoir satisfaire la demande de chauffage. De plus, en considérant l'incinérateur et la chaudière à biomasse comme des sources d'énergie renouvelable, seuls les 2.56% des besoins de chauffage totaux sont couverts par les sources d'énergie non renouvelable.

L’introduction d’un réservoir d’eau permettant une meilleure exploitation des moyens de production est ensuite explorée.

7.4.2. Intégration d’un réservoir de stockage

En utilisant le modèle MINLP M1, un réservoir de stockage couplé à la chaudière à biomasse est considéré. La méthodologie proposée permet de dimensionner le réservoir de stockage ainsi que d'identifier son mode de fonctionnement et sa température simultanément. Les hypothèses du Tableau 6 sont respectées.

La Figure 46 montre les résultats en termes de satisfaction de la demande par les différents moyens de production pour chaque pas de temps, lors de l'intégration d'un réservoir de stockage. Les macro-périodes 1 et 2 correspondent à l’hiver, les macro-périodes 3 et 4 au printemps, les macro-périodes 5 et 6 à l’été et les macro-périodes 7 et 8 à l’automne. Le réseau fonctionne de la même façon que le cas précédent.

Figure 46 Mix de production avec l'intégration d'un réservoir de stockage pour les 8 macro-périodes

Il est observé que l’intégration du réservoir de stockage permet d’atténuer l’appel à la chaudière à gaz. En effet, l’incinérateur et la chaudière à biomasse ne suffisent pas pour couvrir la totalité des besoins en périodes hivernales, donc la chaudière à gaz est quand-même utilisée comme appoint. Bien évidemment, en période d’été, l’incinérateur suffit pour couvrir la totalité des besoins en ECS, et le stockage n’est pas utilisé.

La phase de charge et de décharge du réservoir de stockage est détaillée dans la Figure 47. Comme déjà mentionné, l'état initial du réservoir de stockage, c'est-à-dire la quantité d'eau chaude et froide disponible au début d'un cycle de stockage, est une variable du problème. Une contrainte implémentée impose le même état initial au réservoir de stockage au début de chaque cycle (chaque 12 périodes dans ce cas). Par exemple, au début du deuxième jour, l'état initial du stockage est le même qu'au début du premier jour. L’énergie n’est pas donc transférée d’une période à l’autre. Ceci permet de considérer de jours types qui ne sont pas consécutifs. Il est clair par là que le choix de la période d'optimisation et la durée du cycle de stockage ont un impact important sur le dimensionnement du réservoir de stockage.

L'eau est stockée dans le réservoir à 100 ° C. Le volume total optimal du réservoir de stockage pour la période d'optimisation considérée est de 272.15 m3_{. Le schéma de fonctionnement du} réservoir de stockage est présenté à la Figure 48.

Figure 47 Phase de charge et de décharge pour le réservoir de stockage

Figure 48 Opération du réservoir de stockage

Dans cette étude, l'intégration d'un réservoir de stockage combiné à un incinérateur et à une chaudière biomasse peut augmenter l'utilisation de l'équipement de base (la chaudière biomasse) de 8%. Les coûts totaux de l’opération seront légèrement diminués de 0.13%.

Considérant par ailleurs une intensité de CO2 de 239 kg / MWh pour le gaz, les émissions de CO2 liées à l'utilisation de la chaudière à gaz peuvent être calculées. En effet, l'utilisation des chaudières à gaz est réduite de près de 42% pour le scénario étudié. Cela peut entraîner des économies importantes sur le plan environnemental, ainsi que sur le plan économique.

Le Tableau 8 synthétise les résultats en termes de mix énergétique, de coûts et d'émissions de CO2 entre le cas de référence et le scénario d'intégration du réservoir de stockage.

Tableau 14 Comparaison des résultats avec l'intégration du réservoir de stockage Cas Incinérateur (MWh) Chaudière biomasse (MWh) Chaudière gaz (MWh) Ratio d’énergie renouvelable Coût (k€) Emissions CO2 (t) Référence 4715.35 737.76 143.52 97.44% 82.17 34.30 Avec stockage 4715.35 797.82 61.26 98.51% 82.06 19.95 Différence 8.14% -41.85% 1.10% -0.13% -41.85%

Le stockage n’est pas dimensionné de la même façon selon les profils de demande de chaleur d’un jour type d’hiver et d’une année entière. Les besoins de chauffage étant nuls pour la période estivale, il devient moins intéressant économiquement d’investir sur un grand réservoir de stockage. En revanche, la diminution des émissions de CO2 est importante même avec un réservoir de stockage de petit volume. Ceci démontre un intérêt supplémentaire au stockage.