Scénario III

Pour le scénario III, l’étude précédente est élargie afin de considérer le réseau de chaleur. Une chaudière à gaz alimente le réseau de chaleur qui permet de satisfaire les besoins de chaleur. Une installation PV permet en outre de satisfaire une partie des besoins en électricité, autrement satisfaits par le réseau d’électricité.

Des contraintes liées au réseau d’électricité basse tension ne permettent pas l’absorption de la totalité de l’électricité produite par le PV. L’ajout d’une batterie électrique et d’un moyen de stockage avec chauffe eau électrique permettent une meilleure répartition de l’électricité produite. L’électricité peut en plus, soit être stockée dans la batterie, soit être utilisée pour chauffer l’eau contenue dans le réservoir de stockage. En optimisant l'absorption de l'énergie produite localement, une réduction de la puissance externe appelée peut être obtenue. Le dimensionnement de ces deux technologies de stockage se fait afin de minimiser les apports externes d’électricité. La configuration est présentée par la Figure 114.

Figure 114 Configuration pour le scénario III.

Figure 115 Profils de la production et de la demande

Les profils de la demande en électricité (en bleu) et en chaleur (en rouge), ainsi que le profil de la production d’électricité par le PV (en orange) sont présentés dans la Figure 115. L’horizon temporel est un jour, découpé en 24 périodes. La demande d’électricité correspond à la même demande considérée pour les scénarios I et II. Le PV est dimensionné à 2857 m²,

ce qui est identique au résultat du scénario II. L’électricité produite par les PV est donc un paramètre d’entrée pour ce cas.

Des contraintes supplémentaires prises en compte sont regroupées dans le Tableau 40.

Tableau 40 Hypothèses pour le scénario III

Chaudière à gaz Peut satisfaire la totalité de besoins en chaleur à chaque instant Température de production<= 80 °C

Pincement à 5°C Réseau de chaleur Bitube

Peut opérer pour de températures T < 100°C Demande de chaleur Agrégée en un seul point

Température demandée à 70°C. Pincement à 5°C

Réseau d’électricité Pas de possibilité d’injection au réseau moyenne tension. L’électricité produite localement doit être consommée sur place.

Batterie électrique Puissance maximale injectée 1000kW Réservoir d’eau Volume maximale 100 m3.

Températures entre 80 et 50 °C

La fonction objectif est la minimisation des coûts en considérant le coût de l’apport externe en électricité et le coût d’investissement pour la batterie électrique.

Les résultats d’optimisation pour le scénario III sont présentés ci dessous. La production des panneaux PV ainsi que la demande électrique sont présentés dans la Figure 116. La Figure 117 représente le mix d’électricité pour satisfaire les besoins : en rouge c’est la puissance absorbée par le PV, et en bleu la puissance absorbée provenant de la batterie. Le couplage du système PV avec la batterie permet de satisfaire la totalité des besoins sans faire appel au réseau électrique externe. La capacité de la batterie est de 0.98MWh, ce qui est cohérent avec les résultats du scénario II.

Figure 116 Production PV et demande électrique pour le scénario III

Figure 117 Mix de la production pour satisfaire les besoins électriques - scénario III

Une grande partie de l’électricité produite par le PV est stockée dans la batterie pendant les heures ensoleillées. La Figure 118 illustre les phases de charge et décharge de la batterie. L’état initial de la batterie est aussi optimisée afin d’obtenir le dimensionnement le plus faible. La Figure 119 représente l’état de la batterie pendant un cycle de stockage. L’état initial correspond à 0.36MWh stockées, qui attendent les 0.98MWh à 18h. Il est également observé que la batterie se vide au moins une fois pendant son cycle de charge. Ceci permet de confirmer que son dimensionnement est optimal.

Figure 118 Charge et décharge pour la batterie électrique

Figure 119 Etat de la batterie à chaque période considérée

Une comparaison des résultats de la partie électrique entre les scénarios II et III permet d’observer que :

 Dans les deux cas, la batterie a la même taille, 0.98MWh respectivement.

 Dans les deux cas, l’état initial de la batterie est la même et correspond à 37% de se capacité.

 Dans les deux cas, la batterie absorbe la même quantité d’énergie au total.

 Le schéma d’opération de la batterie est différent pour les deux cas. En effet, le mode opératoire de la batterie est aléatoire, au moment où les bilans totaux d’énergie sont respectés. L’ajout de la chauffe eau électrique pour le scénario III impose, de façon indirecte, des contraintes pour la batterie, car l’absorption de l’énergie par la batterie dépend de la possibilité d’absorption de l’électricité produite par le réservoir d’eau. Ceci modifie l’opération de la batterie, mais sa taille reste la même pour les deux cas. L’élément couplant la partie électrique et la partie chaleur est le chauffe eau électrique. L’électricité, provenant du PV chauffe l’eau contenue dans le réservoir. Ensuite, l’eau chaude peut être injectée au réseau de chaleur afin de satisfaire les besoins de chaleur. La Figure 120 illustre la répartition de l’électricité produite par le PV. Une partie est consommée directement (en bleu clair), une partie est injectée au réservoir d’eau chaude (en bleu foncé) et une partie est stockée dans la batterie électrique (en orange). Il est rappelé que, pour les deux moyens de stockage, il n’est pas possible de stocker et déstocker en même temps. Donc,

quand la batterie charge, elle ne peut fournir de l’électricité qu’au prochain pas de temps. De même pour le réservoir d’eau.

Figure 120 Répartition de l'électricité produite par le PV

Une grande partie de l’électricité produite par le PV est donc consommée par la chauffe eau. La Figure 121 représente le mix pour satisfaire les besoins de chaleur. En bleu c’est la puissance absorbée provenant de la chaudière à gaz et en orange la puissance absorbée provenant du réservoir d’eau chaude.

Figure 121 Mix de production de chaleur. Répartition de la puissance produite entre le réservoir d'eau et la chaudière à gaz.

Le réseau de chaleur fonctionne entre 45°C et 75°C. Le réservoir d’eau chaude est dimensionné à 55.47m3. La Figure 121 illustre les phases de charge et du réservoir. Effectivement, le réservoir est chargé pendant les heures ensoleillées, car sa source de chaleur est la résistance électrique qui est, elle-même, consommatrice de l’électricité produite par le PV.

L’état initial (et final pour un cycle de charge) pour le stockage est représenté dans la Figure 123. L’état initial correspond à un contenu de 39.6 m3 d’eau à une température de 80°C, soit un taux de charge de 71.4%. Il est également observé que le réservoir se vide et se remplit totalement au moins une fois pendant son cycle de charge. Ceci permet de confirmer que son dimensionnement est optimal.

Figure 122 Charge et décharge pour le stockage Figure 123 Etat du stockage à chaque période considérée

Dans cet exemple, le stockage de chaleur est dimensionné en fonction de l’électricité disponible après stockage dans la batterie. Changer la fonction objectif aurait donné des résultats différents. Si la fonction objectif consiste en la minimisation de la puissance gaz appelée par exemple, le stockage est de 69.54m3 _{et la batterie à 0.81MWh. Toute autre} combinaison entre le réservoir d’eau chaude et la batterie électrique est possible, en restant entre ces deux seuils. L’ajout des fonctions coûts pour les technologies permettaient aussi de trancher entre les solutions. En outre, ce cas d’étude peut être investigué sous le prisme d’un jeu d’acteurs. Se positionnant plutôt du côté de l’exploitant du réseau, ou du côté du consommateur, aura un impact sur la fonction objectif choisie, et par conséquent sur la solution optimale.

Cette étude permet alors la validation du modèle mathématique ainsi que l’illustration des fonctionnalités du modèle. Plus précisément il est possible de dimensionner des technologies de stockage de chaleur ou d’électricité, en considérant à la fois les besoins en chaleur, avec les températures respectives ; et les besoins d’électricité.

4. Conclusion

Ce chapitre présente une méthodologie pour la conception et l'optimisation de la configuration pour les réseaux de chauffage urbain, en se concentrant sur l'intégration des contraintes de spatialisation ainsi que des contraintes liées au réseau d’électricité. Des cas tests simples permettent dans un premier temps de démontrer les fonctionnalités de différentes briques de la méthodologie. Des cas de considération des contraintes de spatialisation mettent en valeur la considération simultanée des températures et du tracé du réseau. Ensuite, des cas tests simples permettent le dimensionnement des PV et d’une batterie électrique. Un cas d’étude multi- énergie démontre les possibilités d’optimisation du couplage du réseau d’électricité avec le réseau de chaleur via un réservoir d’eau à chauffe d’eau électrique afin de maximiser l’utilisation des EnR ou autres fonctions choisies.

Un cas d’étude complexe, en intégrant l’ensemble des modèles développés dans cette thèse va être traité dans le chapitre 5. Les éléments de complexité supplémentaire, comme l’aspect multi-énergie et la spatialisation vont être adressés afin de proposer une méthodologie permettant de traiter le problème dans sa totalité. Les étapes de décomposition déjà investiguées dans le chapitre 3 vont être reprises.

Chapitre 5

Conception du mix énergétique d’un quartier

en maximisant son autonomie énergétique

1. Introduction

Le modèle mathématique M3 développé au sein de la thèse est présenté au cours des chapitres 2, 3 et 4. Ce modèle permet l’optimisation du mix énergétique d’un réseau de chaleur urbain en dimensionnant simultanément des moyens de stockage, électrique ou de chaleur, des PAC et des panneaux PV. Des cas tests ont permis de valider chacune de ces fonctionnalités.

Ce chapitre a pour objectif de traiter un cas d’étude réaliste afin d’éprouver le modèle développé dans une situation complexe. Il s’agit de l’optimisation, en termes d’efficacité énergétique, d’un nouveau quartier, pour lequel les besoins estimés pour le chauffage, l’eau chaude sanitaire, la climatisation et la consommation électrique sont pris en compte. La totalité des éléments développés dans le modèle mathématique et déjà décrits dans les chapitres précédents est considérée.

En outre, la convergence vers la solution optimale étant numériquement difficile pour les cas complexes une méthodologie complète pour la résolution des problèmes complexes est présentée et illustrée dans ce chapitre. En effet, la complexité augmente avec le nombre des périodes considérées (comme illustré dans le chapitre 2), avec le nombre des technologies considérées (comme illustré dans le chapitre 3) ou encore les nœuds géographiques considérés (comme illustré dans le chapitre 4). Une première brique de la méthode de résolution des problèmes complexes, via une méthode d’hiérarchisation des variables de décision a été démontrée dans le chapitre 3 ; celle-ci sera reprise et complétée dans ce chapitre.