Analyse combinée physique et économique des systèmes d'énergie des habitations

Combined analysis for physical and economical management of energy systems for housing

• Auteur / Autrice : Timothé Gronier
• Direction : Erwin Franquet, Stéphane Gibout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie énergétique
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermique, énergétique et procédés (LATEP) - Laboratoire de Génie Thermique Énergétique et Procédés (EA1932)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erwin Franquet, Stéphane Gibout, Bruno Lacarrière, Sylvain Quoilin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Lacarrière, Sylvain Quoilin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Distribution

Simulation, Méthodes de

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Demand side managemen

Demand response

Énergies renouvelables

Simulation

Smart grids

Demand side managemen

Demand response

Renewable energy

Simulation

Smart grids

Résumé

La transition énergétique, c’est-à-dire le passage d’un mix énergétique basé sur les énergies fossiles à un mix basé sur les énergies renouvelables, est largement acceptée comme une nécessité imposée par les objectifs mondiaux de lutte contre le réchauffement climatique. Malheureusement, cette transition ne se fait pas sans heurts. Si l’on se restreint à des considérations purement techniques, les sources d’énergie pressenties comme les piliers des futurs mix énergétiques, le solaire et le vent, sont intermittentes et non contrôlables. De plus, les zones les plus productives ne sont pas nécessairement celles où l’on consomme le plus. Les principales solutions envisagées pour corriger ce double décalage, spatial et temporel, sont respectivement la rénovation du réseau électrique et le développement du stockage. Il s’agit de solutions coûteuses.Le travail réalisé dans cette thèse se concentre sur une autre approche, complémentaire, le Demand-Side Management (DSM). Ce dernier est un paradigme dans lequel le gestionnaire de réseau d’énergie peut,dans une certaine mesure, adapter la consommation aux contraintes de production. Le principe n’est pas neuf, les tarifs heures pleines/heures creuses faisant pleinement partie du DSM. Plus précisément, notre recherche a porté en premier sur le développement d’un logiciel capable de gérer en temps réel des réseaux d’énergie en s’appuyant sur du Direct-Load Control (DLC), c’est-à-dire en pilotant directement certains équipements domestiques. L’objectif principal est de se servir de la flexibilité offerte par le DLC pour améliorer l’utilisation locale des énergies renouvelables et ainsi de limiter les besoins en stockage ou les appels au réseau. Une telle méthode soulève de nombreuses questions hors du champ physique. En effet,on s’intéresse ici également aux aspect économiques du problème, non seulement via une approche techno-économique classique, mais aussi via une collaboration avec le laboratoire d’Économie de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour. Au travers de ces interactions, nous nous sommes basés sur une approche contractuelle, où différents contrats sont proposés aux consommateurs (avec ou sans DLC) et nous avons conçu un ensemble de règles adaptées. On s’intéresse en particulier aux questions suivantes : quelles compensations financières pour les consommateurs ? quel modèle économique pour le gestionnaire du réseau ? L’approche repose sur trois piliers fondamentaux : les appareils, les contrats et les stratégies.Un logiciel associé a été conçu pour qu’il soit facile d’ajouter des éléments pour chaque objet (ajouter une nouvelle technologie de production, par exemple). Dans un second temps, nous avons réalisé des simulations visant à éclaircir les relations entre taux de consommateurs participant au DLC, demande en énergie (quelle quantité ? consommée à quel moment ?), réseaux d’énergie présents (électricité, chaleur,gaz ?), technologies disponibles pour la production, la conversion ou le stockage (quelles technologies ?quelles capacités installées ?) et, enfin, stratégie appliquée pour la gestion des réseaux (quelle priorité ? en appliquant quelle technique ?). Si les résultats obtenus via ces simulations ne permettent pas de répondre définitivement à ces questions, plusieurs observations peuvent être faites. D’abord, l’utilisation du DLC améliore bien l’usage des énergies renouvelables et réduit bien la nécessité de recourir au réseau, que ce soit pour l’achat ou la revente d’énergie. Ensuite, des effets de seuil semblent exister : l’impact du DSM est marginal au-delà de certains taux de participation. Enfin, si le DSM réduit le montant des factures,les taux de coupure sont très (trop ?) élevés avec les stratégies et les contrats utilisées

Energy transition, i.e.the passage from a fossil fuel-based energetic mix to a renewable-basedenergetic mix, is commonly accepted as a necessity imposed by the fight against climate change. Unfor-tunately, this transition is not smooth. Regarding only technical issues, energy sources identified as thebasis of the futur energetic mix, sun and wind, are intermittent and non-controllable. Moreover, the mostproductive areas are not necessarily those where consumption occurs. The main solutions considered toresolve this spatial and temporal gap are respectively electric grid renovation and the diffusion of storage.These solutions are expensive.The work realized in this thesis explores on another approach, complementary, Demand-Side Management(DSM). This one is a paradigm in which the grid manager can adapt partially the consumption to pro-duction constraints. This principle is not new, as time of use tariffs are fully part of DSM. More precisely,our research started with the development of a software designed to manage in real-time multi-energygrids and relying on Direct-Load-Control (DLC), i.e.by monitoring directly some domestic appliances.The main objective is to use the flexibility offered by DLC to improve the use of local renewable energyand thus to reduce the need of storage or energy exchanges with the grid. This method raises numerousquestions outside of the physical field. Here, we integrate economical aspects of the problem, not onlyvia a classical techno-economical approach, but also via a collaboration with the economy laboratory ofUniversité de Pau et des Pays de l’Adour. Through our interactions, we based our work on a contract-based approach, where different contracts are proposed to consumers (with or without DLC) and wedesigned a set of adapted rules. We are especially concerned with the following questions : Which returnfor consumers ? Which economical model for the grid manager ? Our approach is based on three mainobjects : devices, contracts and strategies. A software has been developed with this approach and addi-tion of new elements for each object (add a new production technology, for example). Then, we realizedsimulations exploring the relations between DLC popularity, energy demand (which quantity ? consumedwhen ?), kind of energy networks (electricity, heat, gas ?), available technologies for production, conver-sion or storage (which ones ? With which capacity ?) and applied strategy for grid management (Whichobjective ?). If results obtained thanks to these simulations do not allow to draw definitive conclusions,several observations can be made. First, using DLC improves renewable energy usage and reduce theneed to call the grid, either for buying or selling energy. Second, it seems that thresholds effects exist.Last, if DSM reduces effectively consumers’ bills, curtailment rates observed with our current strategiesand contracts are very (too much ?) high.