Méthodologie pour repérer des stratégies de contrôle dans les équipements électriques

Potentiel d’action sur la demande électrique résidentielle

Plusieurs équipements électriques sont présents dans les logements résidentiels. Cependant chaque équipement a une puissance nominale, un type d’usage par les utilisateurs et un taux de pénétration dans les logements différent. Ainsi l’impact des actions de la gestion de la demande (Effacement, actions de « Demand Response ») sera très différent en fonction de l’équipement électrique choisi.

La demande d’électricité est la résultante de la consommation d’électricité des différents usages par les consommateurs. Pour la majeure partie de ces usages et en l’absence des capacités de stockage, la consommation d’électricité est concomitante à la consommation d’usage final. Ainsi à quand de l’analyse de la flexibilité d’un équipement, il faut raisonner en prenant en compte deux caractéristiques différentes : la consommation et la courbe de charge ou puissance, i.e. comment l’énergie est consommée. L’importance de cette séparation est très importante car elle permettra de savoir combien d’énergie on peut déplacer/réduire mais aussi la puissance effacée/réduite pendant le contrôle de l’équipement. Néanmoins, il faut aussi regarder si l’impact sur les utilisateurs ou sur la fonction principale de l’équipement reste acceptable.

Pour regarder le potentiel d’un équipement en termes de gestion de la demande, il faut prendre en compte son impact sur la consommation global (nationale) et sur les points plus fragiles du réseau électrique (périodes de pointes). En plus, il faut aussi regarder les évolutions technologiques et les spécificités d’utilisation (heures d’utilisation, courbes de charges individuelles…) des équipements. On fait premièrement une analyse macroscopique (à l’échelle nationale) de la consommation des différents usages et des caractéristiques des pointes électriques (points plus critiques pour le réseau électrique).

Ensuite, on fait une analyse plus profonde, en analysant le fonctionnement, les heures typiques d’utilisation et les taux de pénétration dans les bâtiments existants, les taux d’utilisation des différents usages, ainsi que les perspectives futures d’évolutions technologiques et de consommation. Après, on fait une revue bibliographique de la littérature scientifique et technique existante dans ce domaine, permettant ainsi de comprendre l’état de l’art sur la gestion de la demande. Cette revue permettra de déterminer des directions de travail en termes de contrôle des équipements selon différents buts. Dans une première approche, cette revue permettra de connaître les effets des contrôles, les modèles utilisés et les limitations de ces études.

Toute cette analyse permettra de déterminer, d’une manière simple, le potentiel de gestion de la demande au niveau national et local (maison), mais aussi le potentiel futur des usages électriques. Ainsi, en imaginant que des contrôles sont applicables (réduction de consommation, déplacement des heures de consommation…), on peut déterminer qualitativement leur impact sur le réseau électrique mais aussi sur la courbe de charge d’une maison. Pour conclure, on fait une synthèse des potentiels de gestion de la demande des différents équipements électriques résidentiels.

Analyse des consommations électriques et des périodes critiques du réseau électrique

La prévision de croissance de la consommation résidentielle est de 1.3 % par an, selon le scénario de référence, jusqu’à 2015 et de 0.3 % au‐delà, selon RTE [RTE, 2011]. Selon ce rapport de RTE [RTE, 2011] la distribution des différents usages en 2007 .

Chauffage électrique
Le chauffage électrique (pompes à chaleur inclues) représente un quart de la consommation totale électrique résidentielle et ce secteur est un des gros responsables de la pointe saisonnière pendant l’hiver, où la sensibilité du système électrique approche les 2 300 MW/°C [RTE, 2011], i.e. pour chaque réduction d’un degré Celsius de la température extérieure, il faut injecter dans le réseau électrique 2 300 MW. De plus, actuellement les systèmes de chauffage électrique sont présents dans 7 millions de logements principaux, pour un totale d’environ 25 millions, ce qui représente 9% de la consommation nationale d’électricité [EDF, 2005].

Pour comprendre les modes d’opération et de régulation des différents systèmes de chauffage, nous allons présenter la description du fonctionnement des principaux équipements et puis faire une analyse sur les caractéristiques d’usage et sur les évolutions technologiques.

Description des systèmes de chauffage
Le système le plus répandu dans les logements résidentiels français est le chauffage électrique à effet Joule. Cependant il existe plusieurs types d’émetteurs. Une description des différents émetteurs est faite ci‐dessous. Les pompes à chaleur sont aussi décrites car ces systèmes sont de plus en plus vendus et leur développement est renforcé par les nouvelles réglementations thermiques.

Convecteur électrique
Le principe de cet appareil est : faire entrer l’air froid en bas et ensuite le chauffer avec une résistance électrique . Finalement l’air va sortir par la partie supérieure du convecteur . La lecture de la température de l’air se fait par une sonde et le contrôle de la température est fait par un thermostat soit mécanique (Bïlame, bulbe, tension de vapeur) soit par un thermostat électronique (PI ou PID). Les appareils plus récents sont, presque tous, équipés de thermostats électroniques.

La partie radiative d’un convecteur électrique est d’environ de 5 à 10 % (part arrière comprise) [Bézian et al., 1997]. Le poids maximal de ses systèmes peut aller jusqu’à 8 kg.

L’utilisateur pourra ajuster la température de la pièce en modifiant soit la position du thermostat dans le boîtier, soit en modifiant le mode de fonctionnement. Les modes de fonctionnement existants généralement sont :
• Confort : Programme utilisé pendant les heures d’occupation ;
• Eco : Programme utilisé pendant les heures d’inoccupation, soit 2‐4 °C de moins que la fonction confort ;
• Hors‐gel : Programme où le thermostat est modifié pour une température de consigne d’environ 7°C ;
• Arrêt : le chauffage est éteint.

Chaque équipement peut chauffer efficacement des pièces de 15‐20 m² où le plafond n’est pas très haut. A cause de leur forte émission de chaleur par convection ces systèmes entrainent une plus grande stratification que les autres systèmes, i.e. la température augmente avec la hauteur jusqu’à 1.2°C par mètre dans les bâtiment anciens et 0.5°C dans les bâtiment bien isolés [Bézian et al., 1997]. Les puissances de chauffage vont généralement de 750 jusqu’à 2000 Watt. Ces équipements peuvent aussi être contrôlés par une unité centrale ou ils peuvent avoir programmation hebdomadaire embraquée. La communication avec l’unité centrale est faite normalement par fil pilote (courant porteur) ou par wifi.

Table des matières

Introduction
Contexte de la thèse
1. Potentiel d’action sur la demande électrique résidentielle
1.1. Analyse des consommations électriques et des périodes critiques du réseau électrique
1.1.1. Chauffage électrique
1.1.2. Eau Chaude Sanitaire (ECS)
1.1.3. Cuisson
1.1.4. Electroménager Froid et Lavage
1.1.5. Climatisation
1.1.6. Eclairage, Produits gris et bruns et autres équipements
1.1.7. Action sur les modes de veille des équipements électriques résidentiels
1.2. Analyse de l’aptitude des usages électriques domestiques à la gestion de la demande selon les études existantes
1.2.1. Chauffage et Climatisation
1.2.2. Eau Chaude Sanitaire (ECS)
1.2.3. Cuisson
1.2.4. Machine à Laver
1.2.5. Sèche‐linge
1.2.6. Lave‐vaisselle
1.2.7. Réfrigérateurs / Congélateurs
1.2.8. Synthèse de l’étude sur le potentiel des équipements résidentiels pour la gestion de la demande
1.3. Conclusion ­ Potentiel d’action sur la demande électrique résidentielle
2. Méthodologie pour repérer des stratégies de contrôle dans les équipements électriques
2.1. Analyse des langages de représentation graphique existants
2.1.1. Représentation d’une machine à laver par le langage GRAFCET
2.1.2. Représentation d’une machine à laver par le langage UML
2.2. Description du langage graphique proposé « Identification of load control availability » (ILCA)
2.3. Principaux états de fonctionnement
2.4. Méthodologie d’application du langage graphique ILCA
2.4.1. Niveau utilisateur
2.4.2. Niveau constructeur
2.5. Application du langage ILCA à une machine à laver
2.5.1. Analyse niveau utilisateur – machine à laver
2.5.2. Analyse constructeur ‐ machine à laver
2.6. Comparaison du langage ILCA et des autres langages de représentation graphique
2.7. Conclusion ­ développement de la méthode d’application ILCA
3. Méthodologie d’évaluation de la flexibilité du chauffage électrique
3.1. Méthode d’évaluation des stratégies de contrôle pour le chauffage électrique
3.2. Analyse des outils de simulation dynamique du bâtiment existants
3.2.1. Modèles de réduction polynomiales
3.2.2. Optimisation des modèles thermiques
3.2.3. Techniques de transformation basées sur des variables d’état
3.3. Description du modèle de simulation du bâtiment mis en œuvre
3.3.1. Modèle de simulation de la conduction de chaleur à travers de la structure du bâtiment
3.4. Confort thermique des occupants
3.5. Procédure d’évaluation du contrôle du chauffage électrique
3.5.1. Définition des indicateurs pour l’analyse de la flexibilité
3.6. Conclusion – Méthodologie d’évaluation du chauffage électrique
4. Evaluation de la flexibilité du chauffage électrique
4.1. Application de la méthode ILCA à un convecteur électrique
4.1.1. Application du langage ILCA niveau utilisateur au cas du convecteur électrique
4.1.2. Application du langage ILCA niveau constructeur ‐ convecteur électrique
4.2. Caractéristiques des bâtiments simulés
4.3. Etude de l’impact des différentes stratégies de
4.3.1. Etude de la Coupure Simple du chauffage électrique
4.3.2. Coupure avec condition de bande morte
4.3.3. Coupure avec arrêt de la ventilation mécanique
4.3.4. Coupure avec préchauffage
4.3.5. Passage en mode‐éco
4.3.6. Analyse de sensibilité sur les variables de calcul du bâtiment
4.3.7. Applicabilité des stratégies de contrôle
4.4. Sélection d’une stratégie de contrôle
4.4.1. Analyse énergétique
4.4.2. Impact énergétique vs inconfort
4.5. Analyse des gains monétaires pour le consommateur
4.6. Conclusion – Evaluation de la flexibilité du chauffage électrique
Conclusion

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