Chapitre 4 : Présentation et validation de la plateforme de modélisation
4.1 Problématique, objectif et verrous scientifiques
La problématique qui a poussé à réaliser ce travail de thèse est l’écart constaté entre le potentiel de la micro-cogénération et son développement sur le marché. Cette écart s’explique en partie par l’immaturité de certaines technologies, le contexte économique (coûts d’investissement, tarifs des énergies dans certains pays), la complexité apparente de conception et mise en œuvre dans les bâtiments ainsi que par un manque de recul sur son fonctionnement.
L’objectif de cette thèse est de fournir des outils pour amener à des recommandations techniques concrètes permettant de mettre en œuvre les meilleurs couplages micro-cogénération / bâtiment en intégrant un dimensionnement, un montage hydraulique et une régulation adaptés.
Les verrous scientifiques à lever pour fournir ce type de recommandations portent sur le choix
d’un niveau de modélisation adapté pour capturer l’essentiel des phénomènes physiques avec
une quantité raisonnable de données de paramétrage et un temps de calcul acceptable. De plus, il paraît nécessaire de rendre l’approche générique pour plusieurs technologies de
micro-cogénérateurs et pour différents types de bâtiments.
4.2 Démarche
Afin de répondre aux différents objectifs, la méthodologie à mettre en œuvre repose sur la modélisation et l’expérimentation de systèmes de micro-cogénération. On s’appuie pour démarrer sur les travaux expérimentaux et numériques menés dans le passé par l’Agence Internationale de l’Energie et le CES Mines ParisTech. Les données expérimentales sont collectées auprès des membres d’Efficacity, dans la littérature et d’autres sont obtenues par des campagnes d’essais menées dans le cadre de la thèse. L’environnement Dymola a été sélectionné pour modéliser les cogénérateurs et les bâtiments dans lesquels on les intègre (ce choix est justifié au chapitre 4). La validation de la plateforme de modélisation détaillée est nécessaire avant de réaliser des études de cas en simulation. Ces derniers nous permettent de démontrer l’apport du corpus de modèles développé pour fournir des recommandations d’intégration des cogénérateurs aux bâtiments.
Pour cette raison, dans le chapitre 3, on a d’abord recours à une modélisation plus précise et dynamique des cogénérateurs qui s’appuie sur des travaux expérimentaux. On propose de compléter les connaissances de la littérature sur deux technologies : un moteur à combustion interne avec échangeur « à condensation » sur les fumées et une micro-turbine. Un modèle semi- empirique détaillé de cogénération est adapté et paramétré pour ces deux machines. On propose finalement d’évaluer la pertinence des raffinements de modélisation de différents phénomènes altérant les performances du cogénérateur en régime de fonctionnement non-nominal.
Dans le chapitre 4, on présente la plateforme de modélisation développée qui intègre la micro- cogénération, le bâtiment, l’installation hydraulique, la régulation et les occupants. On propose de valider cette plateforme en la comparant avec des résultats d’études expérimentales. Les cas d’études incluent tous un moteur Stirling de 1 kWel intégré à des bâtiments, principalement de
logements. La validation est menée en deux parties : d’abord à l’échelle de quelques journées de fonctionnement, à pas de temps infra-horaire. Ensuite, on compare les études numériques et expérimentales selon plusieurs indicateurs « macros » sur une année de fonctionnement. Enfin, nous proposons un modèle numérique de micro-cogénérateur plus simple et plus générique pour compléter la plateforme. Il s’appuie sur les connaissances acquises au chapitre 3, la littérature et des données constructeurs pour modéliser plus aisément une gamme de cogénérateurs et plusieurs technologies sans nécessiter de campagne expérimentale.
Le chapitre 5 présente deux études de cas mobilisant la plateforme développée. D’abord, on utilise le modèle générique de micro-cogénérateurs dans une étude qui permet d’identifier le dimensionnement optimal d’un moteur à combustion interne dans un immeuble de logements collectifs. Ensuite, dans une deuxième étude on utilise la plateforme pour choisir le schéma d’intégration hydraulique et stockage thermique les plus appropriés pour une micro-cogénération à moteur Stirling dans des logements individuels de différents niveaux d’isolation. Pour finir, nous comparons la plateforme de modélisation dynamique détaillée avec l’outil simplifié du chapitre 2 et tirons des enseignements quant à leur usage dans différentes situations.
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Etude de l’adaptation des micro-cogénérateurs aux bâtiments :
apports et limites d’un outil simplifié
Résumé
Ce chapitre pose les quatre principales questions traitées dans la thèse en vue d’améliorer l’intégration des micro-cogénérateurs aux bâtiments :
• Le dimensionnement et le choix de la technologie appropriée de cogénération. • L’impact des besoins thermiques et électriques du bâtiment.
• Le dimensionnement du stockage thermique. • Le choix du schéma hydraulique et de la régulation.
On répond à ces questions avec deux outils, dont le premier est présenté dans ce chapitre :
• Un outil simplifié (modélisation quasi-statique) est créé afin de dégager qualitativement des réponses aux questions posées. Il utilise des profils types de besoins électriques et thermiques au pas de temps horaire et un jeu d’hypothèses économiques, énergétiques et environnementales. Les résultats sont exprimés sous la forme d’indicateurs clés tels que l’économie d’énergie primaire, les gains d’émissions de gaz à effet de serre et le coût global. D’autres comme l’autoconsommation, l’autoproduction électrique ou bien le taux de couverture thermique caractérisent la couverture et la concomitance de la production de la micro-cogénération par rapport aux besoins thermiques et électriques du bâtiment. La principale limite de l'outil simplifié est qu’il ne peut pas traiter la quatrième question en l’absence d’une représentation fine du fonctionnement de l’installation et des cogénérateurs. Il ne permet pas de tenir compte des dégradations de performance liées aux conditions de fonctionnement, pertes thermiques ou régulation imparfaite.
• Puis, on développe une plateforme de modélisation détaillée, décrite et validée dans le chapitre 4 ; on évaluera les performances des cogénérateurs intégrés aux bâtiments avec un niveau de détail plus fidèle au fonctionnement réel des installations dans le chapitre 5.
Dans le présent chapitre, on distingue l'approche d'adaptation par l'offre (quel bâtiment pour un cogénérateur ?) et celle par la demande (quel cogénérateur pour un bâtiment ?). On souhaite, dans cette thèse, apporter des outils compatibles avec les deux approches. On remarquera que les travaux de la littérature se sont concentrés sur l'approche par l'offre.
Enfin, le chapitre présente des résultats illustrant l’utilisation de l’outil simplifié pour répondre aux questions 1 à 3 de la thèse selon les deux approches d’adaptation.
1.1 Problématique et objectifs ... 79 1.1.1 Dimensionnement et choix de la technologie de micro-cogénération ... 79 1.1.2 Stockage d’énergie ... 82 1.1.3 Schéma d’installation et régulation ... 82 1.2 Méthode et études de cas réalisées pendant la thèse ... 83 1.2.1 Une démarche menée en deux parties ... 83 1.2.2 Sélection et présentation des études de cas avec l’outil simplifié ... 84 1.2.3 Sélection et présentation des études de cas avec l’outil de simulation détaillé ... 84 2 Outil simplifié pour l’intégration des micro-cogénérations dans les bâtiments résidentiels et tertiaires ... 86
2.1 Description de l’outil simplifié ... 86 2.1.1 Modélisation des besoins ... 86 2.1.2 Modélisation de la production de chaleur ... 89 2.1.3 Hypothèses économiques, énergétiques et environnementales ... 91 2.2 Indicateurs calculés ... 98 2.2.1 Système de référence ... 98 2.2.2 Coût global ... 98 2.2.3 Economies d’énergie primaire ... 99 2.2.4 Import et export d’électricité ... 100 2.2.5 Couverture thermique ... 100 2.3 Résultats ... 100 2.3.1 Sélection d’un micro-cogénérateur pour un bâtiment donné : quelle technologie et quel dimensionnement ? ... 100 2.3.2 Influence du stockage thermique ... 107 2.3.3 Influence des besoins thermiques et électriques ... 109 2.3.4 Influence des impacts énergétiques et environnementaux de l’électricité de réseau .. ... 113 2.3.5 Discussion ... 114 3 Conclusion du chapitre ... 116 4 Bibliographie ... 117
Table des figures
Figure 2.1 : Divers paramètres influençant le besoin thermique modifient simultanément le ratio E/C et/ou les besoins électriques ... 81 Figure 2.2 : Études de cas réalisées durant la thèse : bâtiments, cogénérateurs et problématiques d’intégrations traités, les cases encadrées correspondent aux cas traités par modèle détaillé dans le chapitre 5 ... 84 Figure 2.3 : Coefficients utilisés pour le calcul des profils de besoins thermiques résidentiels, approche simplifiée ... 87 Figure 2.4 : Monotone des besoins thermiques pour les immeubles de logement collectif et de tertiaire de bureaux ... 87 Figure 2.5 : Exemple de profil de consommation électrique d’un logement ... 88 Figure 2.6 : Profil de consommation par m² « autres usages » de l’électricité en immeuble de bureaux ... 89 Figure 2.7 : Rendement de la chaudière à condensation, source : règlement 813/2013 relatifs aux Certificats d'Economie d'Energie ... 90 Figure 2.8 : Coûts d’investissement pour chaque technologie ... 94 Figure 2.9 : Coûts de maintenance pour chaque technologie ... 95 Figure 2.10 : Bilan des facteurs d’émissions de l’électricité calculés par les différentes méthodes appliquées au cas du réseau français, source : (Bouvenot, 2015) ... 97 Figure 2.11 : Coûts globaux sur 15 ans des différentes micro-cogénérations dans un immeuble résidentiel collectif de 28 logements modérément isolés ... 101