Les paragraphes précédents ont montré que le HESP est très utile pour la gestion de l’énergie consommée par les équipements dans la maison. Il peut également être très intéressant pour gérer
3. Valorisation locale de la production photovoltaïque 67
Figure 3.21 – Gains financiers obtenus avec le scénario du coût HCHP et le scénario du coût 3D des 100 instances étudiées.
les moyens de production locale d’électricité quand ils existent. Dans ce cas, on doit décider quand il est intéressant de produire localement de l’électricité et comment la consommer. Nous avons étudié le cas de la production photovoltaïque. Dans ce cas, on ne décide pas de la production mais de l’usage de l’électricité produite : soit elle est consommée localement, soit elle est revendue au réseau. La décision optimale dépend essentiellement du prix de rachat de l’électricité et du bonus à l’autoconsommation. Ce bonus n’existe pas pour l’instant en France mais il existe en Allemagne et pourrait être mis en place dans d’autres pays. Nous avons formulé le problème de gestion de l’énergie en tenant compte de ce type de production d’électricité. Le modèle HESP1 ne permet pas directement de le faire car dans ce cas on peut choisir de ne pas consommer l’énergie produite, on ne fait que payer l’énergie consommée à partir d’une source disponible. Plusieurs types de scénarios ont été étudiés pour la production photovoltaïque (PV) afin d’évaluer l’intérêt du HESP et si possible chiffrer son apport. Il est à noter que certains de ces scénarios sont hors du contexte actuel en France. La valorisation locale de l’énergie PV est favorisée aujourd’hui en Allemagne (voir la figure 3.22) ou au Japon par exemple, mais est appelée à se développer dans le futur en France.
Nous appelons HESP3 le problème HESP avec une production PV.
3.1 Reformulation du critère économique
La production photovoltaïque est modélisée comme suit :
EP V(k) = ρ.S.φ(k) (3.15)
– EP V(k), l’énergie électrique obtenue grâce à l’effet photovoltaïque à la période k – ρ, le rendement de l’installation
68 Chapitre 3. Contributions aux fonctionnalités de base de la plate-forme G-homeTech
Figure 3.22 – Schéma de principe de la tarification allemande d’autoconsommation du PV (hypothèse du projet ANR Solution PV)
Figure 3.23 – Intégration de la production photovoltaïque dans l’énergie consommée – S, la surface de captage
– φ(k), la puissance de la radiation solaire reçue par m2 durant la période k
Le bonus à l’autoconsommation du PV est noté tb. Il s’agit d’une subvention de l’état pour valoriser l’énergie consommée localement, pour compenser le manque à gagner de la revente sur le réseau. Le prix d’achat de l’électricité sur le réseau est notée ca et tr est le prix de revente de l’électricité d’origine photovoltaïque. tb et tr correspondent à des rentrées d’argent pour l’utilisateur (dans ce cas le producteur d’énergie) et ca correspond à un coût.
Comme on le voit dans la figure 3.23, le coût énergétique durant la période k est donné par C(k) = ca[Ec(k) − EP V(k)] − tb.EP V(k) si Ec(k) > EP V(k)
C(k) = −tr[EP V(k) − Ec(k)] − tb.Ec(k) si Ec(k) ≤ EP V(k) (3.16) Le critère de coût énergétique s’écrit alors :
C(k) = ca. max [Ec(k) − EP V(k), 0] − tb. min [EP V(k), Ec(k)] − tr. max [EP V(k) − Ec(k), 0] (3.17)
3. Valorisation locale de la production photovoltaïque 69 avec Ec(k), la consommation totale des services à l’habitant, donnée par :
Ec(k) = X i∈IE
E(i, k) (3.18)
Pour traduire cela nous devons ajouter une variable binaire δ(k) définie par
[δ(k) = 1] ↔ [Ec(k) ≥ EP V(k)] (3.19) Le coût devient alors :
C(k) = [Ec(k) − EP V(k)] tr− Ec(k)tb+ δ(k) [EP V(k) − Ec(k)] (tr− tb− ca) (3.20) Une variable semi-continue z(k) = δ(k) [EP V(k) − Ec(k)] est encore ajoutée pour transformer la partie non-linéaire de l’équation 3.20. Finalement, le coût énergétique de la période k est modélisé sous forme linéaire par :
C(k) = [Ec(k) − EP V(k)] tr− Ec(k)tb+ z(k)(tr− tb− ca) (3.21) L’ensemble de contraintes de cette modélisation est donné dans l’annexe A.5.
3.2 Exemple d’application
Pour illustrer l’efficacité du système HESP3 pour optimiser la gestion de l’énergie photo-voltaïque, nous avons choisi une maison alimentée par un réseau électrique SRV (1) avec un abonnement de 3kW. Les services actifs dans cette maison sont un chauffage SRV (2) ayant une puissance de 1kW et un lave-linge SRV (3) de 2kW. Sur le toit de la maison on dispose d’une surface de 50m2 de panneaux solaires de type "Module Solar-Fabrik Série SF150/2A". La température préférée de l’utilisateur est de 20℃ et les bornes minimale et maximale acceptables sont 17℃ et 23℃ respectivement. Le service de lavage du linge doit se terminer dans la fenêtre de temps [8h,22h]. 18h est l’heure de fin préférée par l’usager. Les prédictions météorologiques (la température extérieure et la radiation solaire) sont données dans la figure 3.8. Ce scénario utilise le tarif allemand de 2009 (figure 3.22) : l’énergie achetée sur le réseau est facturée 19,01ct¤/kWh, l’énergie PV revendue directement est payée à l’usager 43,01ct¤/kWh, enfin l’énergie PV autoconsommée bénéficie d’un bonus de 25,01ct¤/kWh.
Résultats des simulations
Scénario de référence.La figure 3.24 montre l’exécution des différents services sur un scénario sans valorisation locale de l’énergie photovoltaïque. On retrouve les 2 consommateurs : la machine à laver et le chauffage. La totalité de la production photovoltaïque dans ce scénario est revendue au réseau. L’évolution de la température interne de la maison pendant le déroulement de ce scénario de référence est donnée dans la partie droite de la figure 3.26.
Scénario avec valorisation de la consommation locale de l’énergie photovoltaïque.Dans ce scé-nario, le HESP3 a optimisé l’utilisation locale de l’énergie en jouant sur les 2 services disponibles : modulation du fonctionnement du chauffage en utilisant les capacités de stockage thermique du logement et décalage dans le temps du fonctionnement de la machine à laver afin de consommer le maximum d’énergie photovoltaïque. L’exécution des services est montrée dans la figure 3.25 alors que la partie gauche de la figure 3.26 illustre la température de la maison. On remarque bien
70 Chapitre 3. Contributions aux fonctionnalités de base de la plate-forme G-homeTech
Figure 3.24 – Plan d’affectation de l’énergie dans le scénario de référence (sans HESP3)
sur ces 2 figures que, dans le pilotage proposé par le HESP3, le fonctionnement de la machine à laver est décalé à midi au moment de la disponibilité de l’énergie PV maximale et le chauffage est modulé avec une légère surchauffe du logement pour optimiser l’utilisation de l’énergie. Il est à noter que cette variation de température reste dans des limites tout à fait acceptables pour l’utilisateur.
Analyse économique comparative des 2 scénarios.L’analyse économique est réalisée sur la base du tarif allemand étudié destiné à favoriser l’autoconsommation de l’énergie photovoltaïque. La figure 3.27-a donne l’évolution prévue de ces tarifs pour les années à venir (hypothèse du projet ANR Solution PV). Entre 2015 et 2016, le coût de l’énergie achetée sur le réseau est supérieur au tarif de revente de l’énergie photovoltaïque, il sera alors "naturellement" plus intéressant d’autoconsommer sa production d’énergie et ce scénario prendra toute sa valeur. La figure 3.27-b montre la valorisation économique des 2 scénarios précédents avec et sans l’optimisation de l’autoconsommation par le HESP3 (pour 1 journée de fonctionnement). Ces simulations montrent l’efficacité du HESP3 pour optimiser l’autoconsommation de l’énergie photovoltaïque. Le HESP3 permet de réguler les services permanents pour profiter au mieux de l’apport PV. Le gain financier augmentera dans les années à venir.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons montré les limites de l’efficacité de résolution exacte du problème de gestion d’énergie avec HESP. La formulation sous forme de programmation linéaire mixte développée à ce jour permet de traiter un logement. Pour traiter des ensembles de logements,
3. Valorisation locale de la production photovoltaïque 71
Figure 3.25 – Plan d’affectation de l’énergies calculé par HESP3
Figure 3.26 – Températures intérieures anticipatives de la maison données par le HESP3 sans doute, d’autres types de résolution devront être mis en œuvre. Nous avons également proposé deux options de tarification. Ces deux options permettent d’illustrer les modes de coordination possibles avec le réseau dans le cadre des smart-grids. L’option 1, dans le cas d’un coût fixe, correspond au mécanisme de contrôle direct de charges évoqué dans le chapitre 1, l’option 2 correspond au mécanisme de contrôle par le coût. La capacité de prendre en compte la production photovoltaïque dans le système G-homeTech apporte une fonctionnalité importante dans le cadre de l’intégration au réseau des productions d’énergie intermittentes.
72 Chapitre 3. Contributions aux fonctionnalités de base de la plate-forme G-homeTech
Figure 3.27 – Évolution prévue du tarif allemand de valorisation de l’énergie photovoltaïque et gain financier apporté par HESP3