Analyse des flexibilités de la demande de réseaux de chaleur

par Olivier Greslou

Projet de thèse en Energétique et Procédés

Sous la direction de Jérôme Adnot.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Centre énergétique et procédés (Paris ; Fontainebleau, Seine et Marne ; Sophia-Antipolis, Alpes Maritimes) (laboratoire) , CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2012 .


  • Résumé

    Les réseaux de chaleur se sont historiquement avérés rentables dans des zones urbaines denses à forte demande thermique. Cette rentabilité est aujourd'hui remise en question par l'évolution du parc de bâtiments vers des niveaux basse consommation. Dans ce cadre, la présente thèse vise à analyser les facteurs d'influence de la demande agrégée d'un réseau, liés à son organisation spatiale et à la composition du parc de bâtiments desservi. Sur cette base, les impacts énergétiques de stratégies de MDE, notamment en termes de taux d'utilisation d'énergies renouvelables, sont alors mis en évidence. Pour ce faire, une revue des différentes méthodes de modélisation de la demande agrégée est d'abord réalisée. Elle conduit à développer une plateforme de simulation thermique dynamique détaillée de l'ensemble {bâtiments et émetteurs de chaleur + sous-stations + réseau primaire}, dont les sorties alimentent des modèles statiques d'unités de production. Plusieurs sous-modèles de la plateforme sont vérifiés ou validés sur des relevés d'exploitation d'un réseau géothermique francilien en activité. Des configurations simples de réseaux mono-chaufferie sont ensuite définies après analyse statistique de différents réseaux franciliens à base géothermique ou biomasse. Différentes géométries de réseau primaire et parcs de bâtiments avec différents niveaux de foisonnement sont comparés, en termes de courbe de charge agrégée aux bornes de la chaufferie et de répartition des moyens de production. La déformation de la demande due à la dynamique du réseau primaire et à sa capacité de stockage thermique est également mise en évidence. Enfin, des potentiels énergétiques de maximisation de la base géothermique et minimisation de l'appoint gaz d'un réseau type sont comparés pour différentes stratégies de MDE. Des stratégies statiques (surdimensionnement des échangeurs de sous-station et émetteurs de chauffage, vannes thermostatiques, réduction des pertes de bouclage d'ECS ...) et dynamiques (étagement des relances du chauffage dans le tertiaire, effacements du chauffage dans le résidentiel ...) sont hiérarchisées afin d'établir des priorités pour le gestionnaire de réseau.

  • Titre traduit

    Analysis of flexibility potentials in the demand of district heating systems


  • Résumé

    The profitability of district heating systems is highly dependent on a high heat demand density, which can only be found in dense urban areas. This profitability becomes increasingly at risk with the improvement of the energy performance of buildings, as the building stock is shifting towards low energy consumption levels. This PhD thesis thus seeks to analyze the relative impacts of some main influential factors on the aggregated heat load of district heating systems. The spatial organization and building stock composition are therefore studied in more details. Based on the associated results, the energetic impacts of different demand side management actions can be highlighted, especially concerning the utilization rate of renewable heat production sources. As a first step, a review of the different modeling methods of the aggregated heat load is conducted. Consequently, a detailed and novel dynamic thermal simulation platform of whole district heating systems is developed, including components such as buildings, heat emitters, substations and the primary network. Its outputs are aimed as inputs of simple static models of the heat production units. Part of the component models are verified or validated using data from a geothermal district heating system currently operated in the Ile-de-France region. Based on statistical analyzes of several existing geothermal and biomass district heating systems, simple configurations of district heating systems with a single heat plant are then defined. Several geometries of the primary network as well as building stocks with different diversity factors are compared, in terms of total heat load curves and breakdowns of the different heat production levels. Distortions in the aggregated heat load curve induced by temperature dynamics in the primary network and heat storage phenomena are also highlighted. Eventually, the energy potentials associated with several demand side management actions are compared, in terms of base heat production maximization and peak heat production minimization. Static and dynamic actions are ranked down in merit order so that a district heating manager could prioritize certain actions over others.