Optimisation de l'intégration de stockages distribués dans les réseaux de chaleur.

Optimization of the integration of distributed thermal energy storage in district heating networks.

• Auteur / Autrice : Anne-Geneviève Lemelle
• Direction : Jean-michel Reneaume, Sylvain Serra
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 07/10/2023
• 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 energétique et procédés

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation

Réseaux de chaleur

Stockage thermique

Dimensionnement

Pilotage

Méthodologie

Optimization

District heating networks

Thermal energy storage

Sizing

Operation

Methodology

Résumé

La chaleur représente une part importante des émissions mondiales de CO2 parce qu'elle constitue presque la moitié de l'énergie finale mondiale consommée, satisfaite aux trois-quarts par des combustibles fossiles (IEA 2020). Pour décarboner ce secteur, les réseaux de chaleur urbains sont essentiels et plus particulièrement ceux de 4ème génération qui ont la particularité de fonctionner à une température plus basse. En effet, cela permet d'introduire davantage de sources bas-carbone, de diminuer les pertes thermiques en distribution et l'énergie primaire consommée en production. Cependant, la diminution de la température d'opération d'un réseau de chaleur existant se heurte à plusieurs limites techniques dont certaines thermo-hydrauliques. En effet, diminuer la température d'opération d'un réseau nécessite, à demande égale, d'augmenter le débit du fluide dans les conduites ce qui, à partir d'un certain seuil, dépasse la limite autorisée. D'autre part, il n'est pas envisageable de reconstruire tous les réseaux existants pour les dimensionner à plus basse température or ils constituent la majorité des réseaux en opération pour les années à venir, leur mise à niveau est donc incontournable. Plusieurs études de la littérature ont montré que les stockages distribués pourraient contribuer à dépasser cette limite thermo-hydraulique mais pas dans le contexte de mise à niveau d'un réseau existant. De plus, comme il y a une multitude de configurations d'intégration de ces stockages au réseau, un recours à l'optimisation pour trouver la meilleure configuration semble être pertinent. Ainsi, cette thèse vise à développer une méthode d'optimisation de l'intégration de tels stockages sur un réseau de chaleur existant. A termes, d'autres solutions de mise à niveau seront ajoutées pour déterminer lesquelles sont les plus optimales en termes de coûts.

District heating networks are essential to decarbonize heating as long as they use low-carbon energy sources. On many existing networks, this entails operating with lower temperatures. Reducing the operation temperature of a district heating network involves the retrofit of several assets. In the literature, many studies deal with buildings retrofit, others with substations resizing; however, few tackle the distribution part. Indeed, a reduction in temperature results in an overall increase in mass flow rates and thus velocities, exceeding the recommended limit in certain pipes. Many solutions are possible, including distributed storage which can locally reduce the mass flow rate in pipes by shifting heat demand peaks to off-peak time. As many different sizing, localisations and operation schemes are feasible for those storages, an optimisation approach is required to define the most appropriate configuration. This work proposes an optimisation method for the integration of those storages in existing district heating networks. Supplementary retrofit options are added to the optimisation method to find the best trade-off between all of them.