Intégration des micro-cogénérations aux bâtiments –Contexte, enjeux et objectifs de la thèse

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Pilotage collectif et impact sur le réseau électrique

Pour changer d’échelle, (Bouvenot, 2015) suggère que le tarif (variable) de l’électricité peut être un bon moteur pour modifier les conditions de fonctionnement des micro-cogénérateurs utilisés en autoconsommation. Cela permet aussi de « piloter » un parc sans impliquer de lourdes infrastructures informatiques. (Tapia-Ahumada, et al., 2013) suggèrent, eux aussi à l’aide d’une étude théorique, que les tarifs de l’électricité pourraient être un bon moteur de pilotage, en Romain Bonabe de Rougé / Thèse de doctorat / Mines ParisTech – PSL Research University 52 ntégration des micro-cogénérations aux bâtiments – Contexte, enjeux et objectifs de la thèse particulier pour se substituer au lancement de centrales à gaz, ils ont étudié plus avant la structure des tarifs qu’il faudrait mettre en place.

Des travaux (Pielke & Kurrat, 2008) ont été menés sur l’utilisation de Virtual Power Plants (VPP) dont le concept est l’usage d’un parc de petites unités de production pilotées de manière collective pour produire l’équivalent d’une petite centrale de production électrique ; celle-ci serait alors vue par le régulateur du réseau comme une seule centrale pouvant vendre son énergie sur le marché. (Wille-Haussmann, et al., 2010) proposent une approche d’optimisation avec des modèles simples permettant de piloter le déclenchement d’un parc (de seulement 5 CHP de 1 MW cependant) dans un contexte de demande réelle et de prix d’électricité variables. Enfin, (Houwing, 2010) a réalisé des travaux majeurs sur l’impact d’un parc de micro-cogénérations, il compare 3 niveaux de pilotage de parcs de micro-cogénérateurs de complexité croissante :

Standard : chaque machine fonctionne indépendamment en suivi de charge thermique du bâtiment.

Contrôle décentralisé intelligent : réactions individuelles des micro-cogénérations à des prix variables de l’électricité en temps réel avec déclenchement optimisé à l’aide d’un contrôle prédictif.

Contrôle centralisé par VPP : ici les micro-cogénérations sont pilotées par clusters en réponse à des prix variables ou dans l’objectif de compenser l’intermittence d’une production éolienne.

Il en conclut que :

Le mode de contrôle n°2 permet des économies modérées et dépendant de la taille du stockage thermique installé.

Le stockage électrique par batterie est économiquement inintéressant dans ce cadre.

Les VPPs permettent de diminuer les effets de variation du prix de l’électricité d’un producteur d’électricité disposant d’un parc éolien conséquent.

Les moteurs Stirling sont actuellement trop chers dans toutes les situations sans aides financières de l’Etat à l’investissement.

Les technologies à plus fort ratio électricité/chaleur sont plus intéressantes dans le cadre d’un VPP.

Lorsqu’un parc de micro-cogénérateurs a été installé, il y a tout lieu de mettre en place un VPP car c’est économiquement intéressant et cela permet de générer des bénéfices supplémentaires pour l’ensemble des acteurs.

D’un point de vue méthodologique, la modélisation très simplifiée des phénomènes physiques permet de recourir à des algorithmes d’optimisation menant à ces conclusions. En revanche, elle rend les valeurs absolues des résultats incertaines : cela constitue l’une des limites de l’étude. De plus, seuls l’habitat individuel et deux technologies sont considérés par Houwing, les unités installées font toutes 1 kWel (Stirling) ou 3 kWel (PEMFC). Le parc est donc très homogène à l’inverse d’une situation réelle et le dimensionnement n’est pas toujours adapté aux besoins de chaque bâtiment.

Romain Bonabe de Rougé / Thèse de doctorat / Mines ParisTech – PSL Research University 53

Modélisation des solutions de micro-cogénérations en vue de leur intégration optimale au sein des bâtiments

Les travaux de KU Leuven, en particulier (Baetens, et al., 2012), sur la modélisation d’un parc de bâtiments résidentiels comprenant des outils de flexibilité électrique permettent d’identifier les leviers et les verrous qui se dressent devant le déploiement de moyens de production électrique décentralisés. Baetens et al. montrent que dans le cadre d’un quartier de 33 logements individuels

énergie positive équipés de pompes à chaleur et de panneaux solaires PV, des effets de saturation du réseau (et donc d’écrêtage de production) peuvent intervenir en été conduisant un quartier composé de bâtiments tous à énergie positive en théorie à ne pas l’être dans les faits (14 à 47 % du potentiel peut être perdu selon le dimensionnement du réseau installé). On peut alors recourir à un surdimensionnement du réseau ou à une stratégie de modification de la demande électrique en modifiant le déclenchement des pompes à chaleur. Cependant, dans tous les cas, l’autoconsommation de l’électricité PV est de seulement 33 % (à l’échelle du quartier entier) ce qui démontre un fort export d’électricité. Parallèlement, d’abondants imports électriques sont réalisés en hiver et la nuit. Ce phénomène illustre la problématique d’intégration des énergies intermittentes dans une boucle locale. L’intérêt d’intégrer des micro-cogénérations dans ce type de quartier pourrait être évalué sur un plan environnemental, économique et énergétique.

Parmi les études que nous avons citées, la quantification du potentiel de la micro-cogénération repose généralement sur la modélisation des phénomènes physiques, que ce soit côté système (fonctionnement de la cogénération, du stockage) ou côté demande (besoins du bâtiment). C’est pourquoi la partie suivante présente un état de l’art rapide de la modélisation des solutions de micro-cogénération.

Synthèse

Nous avons identifié l’intérêt que représente la micro-cogénération à l’échelle du bâtiment et à une échelle régionale voire nationale. Les premiers freins au développement de la micro-cogénération sont, aujourd’hui, à l’échelle du bâtiment, notamment dans la conception des installations. Dans ce travail de thèse, nous nous intéresserons avant tout aux problématiques techniques d’intégration des micro-cogénérateurs dans divers type de bâtiments.

La micro-cogénération pourrait faire partie intégrante de futurs réseaux électriques intelligents pour favoriser leur sécurité d’approvisionnement dans un contexte de développement des énergies renouvelables. Dans ce cadre, l’élargissement du périmètre d’étude au-delà du bâtiment et des seuls gains en énergie primaire constitue un axe de travail pertinent pour évaluer les bénéfices des micro-cogénérateurs. On réserve cet axe de travail à de futurs travaux en dehors de cette thèse mais nous tâcherons de tenir compte du contexte national en présentant les interactions du bâtiment avec le réseau de manière simple.

Romain Bonabe de Rougé / Thèse de doctorat / Mines ParisTech – PSL Research University 54

Chapitre 1. Intégration des micro-cogénérations aux bâtiments – Contexte, enjeux et objectifs de la thèse

Etat de l’art de la modélisation et simulation pour évaluer la micro/mini-cogénération

Cette partie se découpe en trois sous-parties avec :

d’abord une présentation des outils de modélisation / simulation du bâtiment, principe de fonctionnement, possibilités et limites,

puis une analyse de la littérature sur la modélisation des micro-cogénérateurs à l’échelle composant,

et une revue de la littérature des études de couplage micro-cogénération + bâtiment.

Les points 2 et 3 ont été largement passés en revue par (Bouvenot, 2015) qui a fait un état de l’art très complet et récent des modèles de micro-cogénération, c’est pourquoi on propose une synthèse accompagnée d’études parues depuis 2015.

Les outils de modélisation-simulation

Premièrement, il faut introduire une différenciation entre modélisation permettant la simulation statique, dont les variables ne dépendent pas du temps et dynamique qui intègre l’influence du temps sur l’état actuel du système, nécessaire pour la représentation de phénomènes transitoires par exemple. Entre une modélisation statique et dynamique, il existe des hybrides comme les approches quasi-statiques qui, elles, présentent des variables évoluant au cours du temps sans prise en compte des états précédents.

Deuxièmement, on distingue classiquement trois types de modèles Modèle de connaissance ou boîte blanche : il s’agit d’une représentation physique exhaustive d’un système basé sur la connaissance approfondie des phénomènes qui régissent son fonctionnement. Par exemple, pour une micro-cogénération à cycle de Rankine, il s’agirait de modéliser les transformations du fluide de travail dans la machine, les conditions d’échanges des échangeurs, l’aspect mécanique…

Modèle empirique ou boîte noire : il s’agit d’une représentation d’un système sans a priori sur les phénomènes physiques qui régissent son fonctionnement en se basant sur l’expérimentation pour établir des lois de corrélation entre les variables et les conditions de fonctionnement. Modèle semi-physique ou semi-empirique ou boîte grise : il s’agit d’une représentation hybride entre les deux précédentes (une boîte grise peut être plus ou moins « foncée ») qui n’ignore pas que le système est régi par des phénomènes physiques qui sont agrégés et/ou simplifiés et associés à des corrélations dont les coefficients peuvent être identifiés expérimentalement.

Table des matières

Chapitre 1 : Intégration des micro-cogénérations aux bâtiments –Contexte, enjeux et objectifs de la thèse
Résumé
Table des matières
Table des figures
Table des tableaux
1 Contexte énergétique, environnemental et économique
1.1 Paysage énergétique mondial
1.2 Paysage énergétique européen
1.3 Paysage énergétique français
1.3.1 Electrification et stagnation de la demande
1.3.2 Mix de production électrique français et ses conséquences
1.3.3 Quelle évolution du parc de production électrique français ?
1.3.4 Le rôle du bâtiment dans la consommation d’énergie en France
1.4 Enjeux de la transition énergétique
1.4.1 Conséquences climatiques.
1.4.2 Nécessaires adaptations de la chaîne de l’énergie
1.4.3 Aspects législatifs et réglementaires.
1.4.4 La fin de l’ère d’abondance ?
1.5 Motivations de la thèse
2 Cogénération et micro-cogénération
2.1 Généralités
2.2 Technologies
2.2.1 Cycle de Rankine
2.2.2 Micro-turbine
2.2.3 Moteur à combustion interne
2.2.4 Moteur Stirling
2.2.5 Piles à combustible
2.2.6 Marchés français et mondiaux
2.3 Potentiel de la micro/mini-cogénération dans les bâtiments
2.3.1 Types de bâtiments
2.3.2 Freins au développement
2.3.3 Technologies concurrentes
2.4 Bénéfices pour le système énergétique national ou européen
2.4.1 Généralités
2.4.2 Echelle nationale : exemple du cas français
2.4.3 Etudes de la flexibilité offerte par la micro-cogénération
2.4.4 Synthèse
3 Etat de l’art de la modélisation et simulation pour évaluer la micro/mini-cogénération
3.1 Les outils de modélisation-simulation
3.1.1 Moteurs de calcul de simulation énergétique des bâtiments
3.1.2 Possibilités et limites
3.2 Modélisation des micro-cogénérateurs
3.2.1 Modèles détaillés
3.2.2 Modèles simplifiés d’optimisation
3.2.3 Synthèse
3.3 Modélisation des micro-cogénérations couplées aux bâtiments
4 Objectifs de la thèse
4.1 Problématique, objectif et verrous scientifiques
4.2 Démarche
5 Bibliographie
Chapitre 2 : Etude de l’adaptation des micro-cogénérateurs aux
bâtiments : apports et limites d’un outil simplifié
Résumé
Table des matières
Table des figures
Table des tableaux
1 Problématique, objectifs et introduction aux cas d’étude
1.1 Problématique et objectifs
1.1.1 Dimensionnement et choix de la technologie de micro-cogénération
1.1.2 Stockage d’énergie
1.1.3 Schéma d’installation et régulation
1.2 Méthode et études de cas réalisées pendant la thèse
1.2.1 Une démarche menée en deux parties
1.2.2 Sélection et présentation des études de cas avec l’outil simplifié
1.2.3 Sélection et présentation des études de cas avec l’outil de simulation détaillé
2 Outil simplifié pour l’intégration des micro-cogénérations dans les bâtiments résidentiels
tertiaires
2.1 Description de l’outil simplifié
2.1.1 Modélisation des besoins
2.1.2 Modélisation de la production de chaleur
2.1.3 Hypothèses économiques, énergétiques et environnementales
2.2 Indicateurs calculés
2.2.1 Système de référence
2.2.2 Coût global
2.2.3 Economies d’énergie primaire
2.2.4 Import et export d’électricité
2.2.5 Couverture thermique
2.3 Résultats
2.3.1 Sélection d’un micro-cogénérateur pour un bâtiment donné : quelle technologie et
dimensionnement ?
2.3.2 Influence du stockage thermique.
2.3.3 Influence des besoins thermiques et électriques
2.3.4 Influence des impacts énergétiques et environnementaux de l’électricité de réseau
2.3.5 Discussion
3 Conclusion du chapitre
4 Bibliographie
Chapitre 3 : Caractérisation expérimentale et modélisation de deux
technologies de micro-cogénération : moteur à combustion interne et
micro-turbine
Résumé
Table des matières
Table des figures
Table des tableaux
1 Etat de l’Art des essais de micro-cogénération et modèle retenu
1.1 Objectifs et démarche
1.2 Etat de l’Art des essais de micro-cogénération pour différentes technologies
1.2.1 Différents types d’essais
1.2.2 Moteurs Stirling
1.2.3 Moteurs à combustion interne
1.2.4 Piles à combustible
1.2.5 Autres technologies
1.2.6 Synthèse
1.3 Modèle de micro-cogénération retenu
1.3.1 Phénomènes stationnaires
1.3.2 Modélisation des phénomènes instationnaires
1.3.3 Principe de paramétrage du modèle
1.4 Synthèse de l’état de l’Art des essais et du modèle retenu
2 Etude expérimentale et modélisation d’une micro-cogénération à moteur à combustion
interne
2.1 Présentation de l’unité de cogénération et du banc de test
2.1.1 Unité de micro-cogénération..
2.1.2 Banc d’essai
2.1.3 Moyens métrologiques et analyse d’incertitudes
2.2 Résultats expérimentaux
2.2.1 Régime stationnaire
2.2.2 Régime instationnaire
2.3 Adaptation du modèle et identification des paramètres
2.3.1 Modélisation et identification en régime stationnaire
2.3.2 Modélisation et identification en régime instationnaire
2.4 Synthèse de l’étude numérique et expérimentale d’un micro-cogénérateur à moteur
combustion interne
3 Etude expérimentale et modélisation d’une micro-cogénération à micro-turbine
3.1 Présentation de la machine et du banc de test
3.1.1 Machine
3.2 Campagnes expérimentales
3.2.1 Bancs d’essais
3.2.2 Résultats expérimentaux
3.3 Adaptations du modèle et identification des paramètres
3.3.1 Identification des paramètres stationnaires
3.3.2 Identification des paramètres instationnaires du modèle semi-empirique
3.4 Validation du modèle sur une séquence expérimentale
3.4.1 Périmètre de validation
3.4.2 Essai utilisé pour la validation
3.4.3 Critères de validation
3.4.4 Résultats
3.4.5 Débit d’eau et températures
3.5 Etude de sensibilité du modèle
4 Synthèse du chapitre
4.1 Récapitulatif des travaux réalisés
4.2 Bilan des nouveautés apportées au modèle
4.3 Vers un modèle générique simplifié de micro-cogénération
5 Bibliographie
Chapitre 4 : Présentation et validation de la plateforme de modélisation
dynamique développée – Développement et paramétrage d’un modèle
générique de micro-cogénérateur
Résumé
Table des matières
Table des figures
Table des tableaux
1 Introduction
2 Développement d’une plateforme de modélisation des couplages de micro-cogénérateurs
bâtiments
2.1 Sélection de la plateforme logicielle de modélisation
2.2 Modélisation de l’enveloppe des bâtiments
2.2.1 Généralités sur les modèles d’enveloppe
2.2.2 Modèle physique simplifié : choix de l’analogie électrique R6C2
2.3 Modélisation des occupants et de leurs besoins.
2.3.1 Electricité spécifique
2.3.2 Eau chaude sanitaire
2.4 Modélisation des systèmes CVC
2.4.1 Modèle de stockages
2.4.2 Modèle d’appoint thermique
2.4.3 Modèle de distribution et d’émission
2.4.4 Régulation de l’ensemble
2.5 Synthèse
3 Éléments de validation des résultats de la plateforme à deux échelles temporelles : infrajournalière
et annuelle
3.1 Confrontation du modèle de micro-cogénération Stirling 1 kWel sur des essais in-
pour des jounées-types de fonctionnement
3.1.1 Méthodologie..
3.1.2 Estimation des grandeurs non mesurées
3.1.3 Correction des données mesurées
3.1.4 Indicateurs de comparaison retenus
3.1.5 Résultats illustrés sur une journée type
3.1.6 Synthèse des résultats sur l’ensemble des journées types
3.1.7 Conclusions
3.2 Confrontation de la plateforme de modélisation dans le cas de logements équipés
micro-cogénérateurs Stirling 1 kWel pour des indicateurs annuels
3.2.1 Objectifs et méthodologie
3.2.2 Présentation des cas d’étude en simulation
3.2.3 Présentation des cas d’étude expérimentaux
3.2.4 Comparaison des performances simulées et mesurées de micro-cogénérateurs
3.2.5 Conclusions et perspectives.
4 Vers un modèle de micro-cogénération plus générique
4.1 Forme générale du modèle développé
4.1.1 Quels phénomènes prendre en compte ?
4.1.2 Modélisation adoptée en régime stationnaire
4.1.3 Modélisation des démarrages et refroidissements
4.2 Constitution et analyse d’une base de données de performances en régime stationnaire
4.2.1 Données de performances nominales
4.2.2 Performances à charge partielle
4.2.3 Performances à température de retour d’eau variable
4.2.4 Performances à température d’air variable
4.2.5 Synthèse des dégradations de performances modélisées en régime stationnaire
4.2.6 Démarrage et refroidissement
4.3 Base de données de coûts
5 Conclusion du chapitre
6 Bibliographie
Chapitre 5 : Apports de la modélisation détaillée pour le
dimensionnement, le choix du schéma hydraulique et de la régulation
d’une installation de micro-cogénération
Résumé
Table des matières
Table des figures
Table des tableaux
Dimensionnement d’une installation de micro-cogénération
1.1 Cas d’étude : moteur à combustion interne en résidentiel collectif
1.1.1 Modélisation du bâtiment
1.1.2 Modélisation des usages
1.1.3 Systèmes CVC
1.1.4 Principe de fonctionnement et régulation
1.2 Analyse de sensibilité sur l’installation
1.2.1 Cas étudiés
1.2.2 Résultats
1.2.3 Recommandation à l’usage des concepteurs d’installation
1.3 Identification du dimensionnement optimal du cogénérateur
1.3.1 Lien entre valorisation économique de l’électricité, fonctionnement estival
puissance installée
1.3.2 Résultats économiques
1.3.3 Indicateurs techniques saisonniers
1.3.4 Résultats énergétiques
1.4 Conclusions de l’étude de cas immeuble de logement et MCI
Intégration hydraulique et régulation des micro-cogénérateurs
2.1 Cas d’étude : écogénérateur Stirling en maison individuelle
2.1.1 Contexte
2.1.2 Problématique et périmètre
2.1.3 Configurations étudiées
2.1.4 Bâtiments étudiés
2.2 Hypothèses de modélisation
2.2.1 Bâtiment
2.2.2 Equipements CVC
2.2.3 Scénarios de sollicitation (usages et météorologique)
2.2.4 Critères d’analyse
2.3 Analyse de sensibilité
2.3.1 Influence du type de stockage et de sa configuration
2.3.2 Influence de la gestion du moteur Stirling et de son appoint
2.3.3 Influence de la programmation de consigne de température intérieure sur
production électrique
2.4 Etude paramétrique
2.4.1 Economies d’énergie primaire
2.4.2 Electricité produite
2.4.3 Nombre de cycles marche/arrêt du moteur Stirling
2.4.4 Pertes de stockage
2.4.5 Utilisation de l’appoint thermique
2.4.6 Taux d’autoconsommation
2.4.7 Economies d’exploitation générées
2.4.8 Récapitulatif du fonctionnement de l’écogénérateur dans deux cas d’études
2.5 Conclusions de l’étude de cas en maison individuelle et Stirling
2.5.1 Synthèse des résultats
2.5.2 Synthèse méthodologique
3 Bilan des résultats et comparaison des outils
3.1 Utilisation des monotones en micro-cogénération
3.2 Représentation en monotones de besoins et de production thermiques des résultats
chapitre, avantages et limites
3.3 Comparaison des outils de modélisation pour le dimensionnement et l’intégration
3.4 Usage pratique des outils
3.4.1 Outils de dimensionnement en conception
3.4.2 Etablissement de règles de bonnes pratiques d’intégration
3.4.3 Accompagnement d’essais de terrain
4 Bibliographie
Conclusions et perspectives
Annexes
Table des annexes
A1 Annexes du chapitre 3 : détails de la modélisation des phases de démarrage et arrêts
moteur Stirling
A2 Annexes du chapitre 3 : modélisation des performances de la micro-cogénération
température d’air comburant variable
A3 Annexes du chapitre 4 XXIV
A4 Annexes du chapitre 5 : présentation du cas d’étude MCI en immeuble collectif XXVI
A5 Annexe du chapitre 5 : analyses de sensibilité complémentaires, étude de cas Stirling
maison individuelle
A6 Communication à la conférence Building Simulation 2017 XXXII