Indicateurs et outils d’analyse de courbes de charges du secteur résidentiel

Définir la consommation d’électricité des ménages

La classification généralement utilisée pour définir la consommation d’électricité des ménages est celle utilisée par EDF et le CEREN. On représente sur la figure 1.1.1 la répartition des consommations du secteur résidentiel selon les 4 catégories usuelles: chauffage, ECS, Cuisson, électricité spécifique (données CEREN 2008), ainsi qu’une vision plus détaillée pour l’usage électricité spécifique. Afin de mettre en évidence le potentiel d’effacement des équipements domestiques, la première étape est d’identifier les équipements pour lesquels il est possible de modifier au moins un des paramètres caractérisant l’appel de charge :

1. L’instant où l’équipement est sollicité
2. La durée d’utilisation de l’équipement
3. La puissance appelée par l’équipement lorsque celui-ci est connecté au réseau

Il peut également être nécessaire de prendre en compte le potentiel d’action de l’usager ainsi que les paramètres comportementaux du ménage ayant une influence sur le ou les mode(s) de fonctionnement des équipements. On appelle usage de l’électricité une activité permettant de répondre à un besoin et nécessitant des équipements consommant de l’électricité pour sa réalisation (l’usage chauffage par exemple). Un ou plusieurs équipements peuvent être associés à un usage. Pour l’exemple de l’usage chauffage, les équipements d’intérêt sont les systèmes de production de chaleur associés : convecteur, radiateur, plancher chauffant, …

Classification des usages domestiques de l’électricité. Classification des flexibilités de la demande électrique dans le cas du secteur résidentiel

Dans le cadre des travaux sur la modélisation multi-agents dans l’habitat, Abras et Ha [3, 75] proposent de classer les services énergétiques dans l’habitat suivant qu’ils sont permanents ou temporaires, et pilotables ou non pilotables (figure 1.1.2).

Définition 2 (service énergétique). La notion de service énergétique est relative à la demande énergétique permettant de répondre à un besoin d’un usager. On utilisera également la notion d’usage de l’électricité qui a été définie précédemment. À un service ou usage de l’électricité, on associe un ou plusieurs équipements électriques. Cette définition reprend la notion de sytème domotique définie par Ha dans [75].

Les 4 degrés de liberté des équipements pouvant contribuer à la modulation de la charge agrégée (point de vue réseau) sont [75] :
• Différable ou Accumulable (D ou A) : l’instant de démarrage est modifié mais pas le besoin du ménage. L’asservissement tarifaire des ballons à accumulation est l’exemple typique de service proposé aux ménages lié à la possibilité de différer la production d’eau chaude (possibilité de décaler la consommation de l’équipement par rapport à l’usage du ménage). La distinction que nous opérons entre différable et accumulable repose sur la quantité d’énergie consommée par l’équipement suite au pilotage : elle n’est pas modifiée dans le premier cas (ex. usages blancs de l’électricité différée en heures creuses) mais peut l’être dans le second.
• Modulable (en temps ou/et en puissance) (MT, MP ou MTP) : la modulation de la charge peut être temporelle (modification du cycle ou de la durée de fonctionnement) ou en amplitude. On considère donc dans ce cas que le pilotage résulte nécessairement en une modification de la consommation énergétique
• Interruptible (I) : le cycle de fonctionnement est modifié du fait d’une coupure volontaire pendant une période donnée. L’interruption correspond généralement à un déplacement de charge (donc à consommation globale équivalente). Les appareils équipés de batteries peuvent être attachés à cette catégorie. Les équipements de type gros électroménager blanc peuvent être attachés à cette catégorie .

Les équipements pilotables peuvent posséder une ou plusieurs de ces caractéristiques. Cette classification montre immédiatement l’intérêt des systèmes de chauffage électrique et de production d’eau chaude sanitaire (ECS par accumulation) dans le cas des effacements diffus [4]. Les usages qu’il est possible de piloter à distance dans la suite de ce document sont les équipements de chauffage électriques (seuls les équipements de type radiateurs et convecteurs sont pris en considération, voir chapitre 2) et les systèmes électriques de production d’eau chaude sanitaire. Il s’agit des équipements domestiques dont le potentiel agrégé mobilisable actuellement est le plus intéressant. D’autres équipements dont la diffusion n’est actuellement pas suffisante dans le parc français pourraient être intégrés dans la suite. C’est le cas de systèmes de chauffage plus performants que ceux retenus pour ce travail (pompes à chaleur, planchers chauffants,…) ainsi que d’usages plus récents (véhicule électrique par exemple).

Un produit d’effacement (défintion ??) étant caractérisé par l’instant de sollicitation, la durée de fonctionnement et l’appel de puissance évité, les équipements modulables sont les plus intéressants à valoriser. Du point du vue du réseau, les équipements différables ou interruptibles résulte en une moindre flexibilité de la charge, ils permettent de mettre en œuvre une diminution momentanée de la puissance appelée lors des moments de tension sur le réseau (typiquement aux heures de  pointes). La construction de blocs d’effacements à partir de ce type de service nécessite de maîtriser d’autant mieux le phénomène d’agrégation des charges. Pour un objectif de modulation de la charge globale donné [64], on recherchera donc le type de service puis les équipements les plus intéressants.

L’évaluation du potentiel d’effacement d’un équipement suppose d’être en mesure de caractériser celui-ci. Représenter la demande d’un ensemble de consommateurs d’électricité (et donc a fortiori d’équipements) nécessite de caractériser le parc d’équipements disponibles. Dans le cas de travaux de modélisation bottom-up, Grandjean [70] a établi une liste exhaustive des caractéristiques techniques utiles des équipements (à modéliser) :

• classe énergétique
• puissance nominale ou installée
• puissance de veille
• rendement en fonction du niveau de charge
• rendement en fonction des conditions extérieures
• Cycle(s) Unitaire(s) de Puissance (voir définition dans [70])
• durée(s) du (des) cycle(s) de fonctionnement
• mode(s) de fonctionnement
• puissance de recharge
• durée de recharge
• consommation au plus juste
• capacité de l’équipement, niveau(x) de charge possible(s), taille.

La caractérisation de chaque équipement pilotable du parc reprend au moins en partie ces éléments. La diversité technique des équipements pilotés d’un ensemble de consommateurs est donc caractérisée par la description de ces éléments. Si seuls certains équipements sont pilotés, un modèle plus simple de reconstruction bottom-up de la demande pour les usages non contrôlés à distance peut être envisagé, par exemple en définissant des lois de distribution pour les profils de charge [147] [50]. La littérature existante permet de choisir des lois adéquates selon les équipements (usages) et de définir les paramètres de ces lois pour un nombre de plus en plus important d’équipements. Un modèle comportant une dizaine d’équipements (dont les appels de charge sont typiques ou contribuant à la consommation de base des foyers) peut rapidement être mis en œuvre. L’ajustement des paramètres temporels (instant de démarrage des équipements) est indispensable afin de s’assurer du réalisme des profils de demande totale (usages pilotés à distance ou non).

Actions de pilotage de la demande mises en œuvre dans ce travail

Dans le cadre de ce travail, on ne s’intéresse qu’aux équipements domestiques pilotables à distance par un opérateur d’effacement, soit encore un agrégateur. Par conséquent, on ne cherche pas à évaluer le potentiel d’effacement des équipements associé à un signal tarifaire, et donc la sensibilité des consommateurs au prix.

Ce type de signal d’effacement (par exemple critical peak pricing) est attractif du point de vue réseau compte tenu de l’évolution structurelle de la demande du secteur résidentiel : augmentation de la part de consommation usages spécifiques au détriment des autres usages (figure 1.1.1). Dans le cas français, ce type d’option est par exemple proposé aux ménages afin de lisser la demande journalière (et donc la pointe 19h) en hiver durant les 22 jours les plus contraints dans le cas des abonnements TEMPO et EJP proposés par le fournisseur historique. Toutefois, le potentiel d’effacement mobilisable via des incitations tarifaires a fortement diminué au cours des 20 dernières années (environ 2 GW actuellement, le triple dans les années 1990 [141]). De nouvelles offres pourraient permettre de faire évoluer cette capacité, et/ou permettre de bénéficier de nouveaux types de blocs d’effacements.

Pour les effacements issus d’un pilotage direct des équipements, le comportement des ménages a potentiellement un effet négatif sur le potentiel d’effacement mobilisable par un opérateur sur son parc. C’est par exemple le cas des actions de type dérogation aux pilotages (cette possibilité garantit aux occupants la possibilité de reprendre le contrôle de leur équipement à tout moment). L’effet des occupants se traduit également par un bruit dans les sollicitations (par exemple ouverture/fermeture des fenêtres pendant une phase de contrôle de système de refroidissement du bâti en été,…).

Table des matières

Introduction
1 Caractérisation des usages domestiques de l’électricité
1.1 Définir la consommation d’électricité des ménages
1.1.1 Classification des usages domestiques de l’électricité. Classification des flexibilités de la demande électrique dans le cas du secteur résidentiel
1.1.2 Actions de pilotage de la demande mises en œuvre dans ce travail
1.2 Caractérisation de l’usage chauffage par les ménages
1.2.1 Difficultés liées à l’estimation d’une température de référence
1.2.1.1 Données issues de campagnes de mesures
1.2.1.2 Données issues d’enquêtes déclaratives
1.2.2 Approche spatio-temporelle de la gestion de la consigne
Campagnes de mesures sur le parc français
Enquêtes nationales sur les températures dans les logements
Présentation de quelques études de cas
1.3 Conclusion du chapitre : hypothèses générales sur les modes de gestion
2 Approche théorique : modèles retenus pour les simulations
2.1 Modèle pour l’enveloppe du bâtiment
Choix du schéma numérique
2.2 Réduction du modèle de bâti de référence
2.2.1 La méthode d’Eitelberg
2.2.2 Les méthodes modales
La méthode de Marshall
2.2.3 La réduction en base équilibrée
Approximation par perturbations singulières (à partir de la base équilibrée)
Réduction au sens de la norme de Hankel
2.2.4 Méthode de réduction retenue
2.3 Modélisation des systèmes de chauffage intégrés au bâti
2.3.1 Modélisation du corps de chauffe de l’émetteur
2.3.2 Modélisation du régulateur
2.3.3 Modélisation du capteur de température
2.4 Dimensionnement des systèmes
3 Indicateurs et outils d’analyse de courbes de charges du secteur résidentiel
3.1 Outils pour l’analyse du foisonnement de courbes de charges
3.1.1 Facteur de charge
3.1.2 Coefficient de foisonnement – f
3.1.3 Demande maximum après foisonnement – ADMD
3.1.4 Relation entre f, ADMD – Dimensionnement de réseaux basse tension
3.1.5 Intérêt des indicateurs fN et ADMDN dans le cadre d’effacement de charges thermiques
3.2 Mise en place d’outils pour l’évaluation des effacements
3.2.1 Méthode de restitution de la référence dans le cas de scénarios simulés
3.2.2 Indicateurs retenus pour l’évaluation des effacements en énergie
Caractérisation de la phase de recouvrement énergétique
3.2.3 Indicateurs retenus pour caractériser la déformation de la courbe de charge associée à un effacement
3.2.3.1 Effet de relance associé à un pilotage ON/OFF
Modélisation de la courbe de charge agrégée (déformation)
lors d’une relance
3.2.3.2 Définition des grandeurs associées au phénomène de relance pour le pilotage direct
3.2.3.3 Synthèse des études portant sur des effacements de l’usage chauffage
Éléments issus de l’exploitation de données de démonstrateurs
Études théoriques
3.2.4 Analyse de l’effet des effacements sur le confort thermique dans les logements
3.3 Conclusion
4 Études paramétriques sur des effacements types
4.1 Revue des méthodes d’analyse des paramètres d’influence
4.1.1 Méthodes pour l’analyse de sensibilité
4.1.2 Pratique de l’analyse de sensibilité dans le cadre de la simulation thermique du bâtiment
4.2 Analyse paramétrique pour l’effacement
4.2.1 Hypothèses pour la construction des modèles de bâti de référence
4.2.2 Hypothèses sur le choix des sollicitations extérieures
Données pour le climat
Scénarios de consigne et scénarios de présence
4.2.3 Définition des variables d’intérêt
Sollicitations extérieures – données liées au climat
Scénario de consigne et de présence
Paramètres liés au bâti
Paramètres liés aux systèmes
4.2.4 Approche retenue
4.2.5 Résultats de l’analyse paramétrique
4.2.5.1 Sensibilité des consommations énergétiques annuelles pour l’usage chauffage
4.2.5.2 Évaluation selon les indicateurs caractérisant les effacements
4.2.6 Synthèse du criblage de Morris
Conclusion

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