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Plus d’énergies renouvelables ? Les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique. Par Emeline Georges | LIEGE CREATIVE, 24.03.17

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L’intégration massive des énergies renouvelables dans le mix énergétique entraîne des défis supplémentaires en termes de gestion du réseau électrique. Leur caractère intermittent nécessite davantage de systèmes de stockage et de charges flexibles. Les bâtiments résidentiels équipés de systèmes de chauffage, climatisation ou production d’eau chaude sanitaire à haute performance tels que les pompes à chaleur sont des candidats clés pour une gestion intelligente de la demande électrique.

Déplacement temporel de la demande, autoconsommation de la production électrique renouvelable décentralisée ou service de flexibilité ?
Au cours de cette rencontre, nous présenterons le potentiel offert par ces systèmes pour ces différentes applications de gestion énergétique. Nous discuterons également le point de vue de différents acteurs du marché de l’énergie.

Published in: Environment
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Plus d’énergies renouvelables ? Les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique. Par Emeline Georges | LIEGE CREATIVE, 24.03.17

  1. 1. Emeline Georges, Doctorante Aspirant F.R.S. - FNRS, ULg Vendredi 24 mars Plus d’énergies renouvelables ? Les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique.
  2. 2. LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :
  3. 3. Plus d’énergies renouvelables? Les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique E. Georges, Doctorante Aspirant FNRS Promoteur: V. Lemort
  4. 4. Laboratoire de Thermodynamique de l’ULg • Département d’Aérospatiale et Mécanique • Equipe de 30 personnes • Activités de recherche contribuent à développer des systèmes thermiques innovants et performants • Bon équilibre entre recherche expérimentale et numérique • Grande proximité avec le monde industriel 2 LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges
  5. 5. Transport Introduction - Contexte LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 3 Nucléaire Coo CCGT/Gaz Renouvelable Industrie Buildings Réseau Emeline Georges
  6. 6. Buildings• Production intermittente (Source: Elia) Introduction - Contexte LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 4 DSM Electrification • Pompes à chaleur • Climatisation • Véhicules électriques 1 tranche nucléaire Emeline Georges Equilibre du réseau & Contraintes
  7. 7. • Gestion de la demande électrique (DSM) = rassemble les initiatives des acteurs du marchés de l’électricité visant à influencer les profils de demande des consommateurs • Flexibilité = faculté à adapter demande/production d’électricité Demande résidentielle Production PV P t Introduction - Contexte LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 5 Emeline Georges
  8. 8. Agenda • Partie 1: Introduction • Contexte • Concepts • Partie 2: Evaluation des besoins de gestion de la demande électrique (Demand-Side Management) • Partie 3: Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles • Application à grande échelle: Belpex Day-Ahead market 2. Autoconsommation de la production décentralisée 3. Service de flexibilité • Application à grande échelle : la provision de réserve • Conclusions LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 6 Emeline Georges
  9. 9. Introduction - Concepts • Acteurs du marché de l’électricité LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 7 Producteurs (ex: Engie Electrabel, EDF Luminus, …) Grand consommateurs (ex: aciéries,..) Consom- mateurs Opérateurs du réseau (ELIA, ORES, RESA,… ) Opérateurs du marché (Belpex) Fournisseurs (ex: Lampiris, Essent,…) Régulateurs (ex: CREG, CWAPE, …) Agrégateurs (ex: Actility,…) Emeline Georges
  10. 10. Introduction - Concepts • Agrégateur: << UBER vs TAXIS >> (source: Actility) • rassemble, gère et trade la flexibilité des consommateurs • Ex: pompe à chaleur, chauffe-eau électrique, batterie, véhicule électrique LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 8 Emeline Georges
  11. 11. Introduction - Concepts • Pompe à chaleur LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 9 Chauffage électrique Pompe à chaleur 1 kWh d’ électricité 1 kWh de chaleur 1 kWh d’ électricité 3 kWh de chaleur Chauffage /Climatisation Eau chaude sanitaire
  12. 12. LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges Partie 1: Introduction Partie 3: Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles 2. Autoconsommation de la production décentralisée 3. Service de flexibilité Conclusions Agenda PARTIE 2: Evaluation des besoins de gestion de la demande électrique (Demand-Side Management)
  13. 13. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 100 200 300 400 500 600 time of the day [h] Averageweekdayelectricaldemand[W] • En Belgique, la consommation électrique des • grands consommateurs est monitorées toutes les 15 minutes • petits consommateurs est associée à des Synthetic Load Profiles Evaluation des besoins en DSM LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 11 Emeline Georges ~1 tranche nucléaire ~3/4 tranche nucléaire
  14. 14. Evaluation des besoins en DSM • Comment ces profils changent-ils • Suite à une augmentation du nombre de pompes à chaleur? LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 12 Emeline Georges ? ~5% des ménages ~1.3% des ménages ~65% des ménages /! climatisation
  15. 15. Evaluation des besoins en DSM • Comment ces profils changent-ils • Suite à une augmentation du nombre de pompes à chaleur? • Suite à une augmentation du nombre de PVs? • Quel impact pour le réseau électrique? LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 13 Emeline Georges Source: REN21 Renewables 2016 Global status report Source: ezysolare
  16. 16. Evaluation des besoins en DSM • Développement d’un outil de simulation 1. Description du parc résidentiel belge LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 14 Emeline Georges Type of building Envelope insulation Space heating Domestic hot water % of the stock? Year of construction <1945 1946-1970 1971-1990 1990-2006 >2007 Ex: ~1 million de chauffe-eaux électriques
  17. 17. Evaluation des besoins en DSM • Développement d’un outil de simulation 2. Modélisation des bâtiments et systèmes LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 15 Emeline Georges Aggregation Final energy use & Load profiles Time [h] Powerconsumption[W] SLP Simulations
  18. 18. Evaluation des besoins en DSM • Scénario #1: augmentation du nombre de pompes à chaleur • Belgique - 2012: <1% LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 16 Emeline Georges Pour un ménage moyen Pour l’ensemble du parc (~4.6 millions de ménages)
  19. 19. Evaluation des besoins en DSM • Scénario #1: augmentation du nombre de pompes à chaleur • Belgique - scénario possible pour 2030: 10% LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 17 Emeline Georges Pour un ménage moyen Pour l’ensemble du parc (~4.6 millions de ménages)
  20. 20. Evaluation des besoins en DSM • Scénario #1: augmentation du nombre de pompes à chaleur • Belgique – scénario possible pour 2050: 25% LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 18 Emeline Georges ↑ de la demande de pointe de 24% Besoin de plus d’unités de production de pointe 2 GW ~ 2 tranches nucléaires
  21. 21. Evaluation des besoins en DSM • Scénario #2: pompes à chaleur (PAC) + PVs Est-ce que cela aide? 25% PAC LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 19 Emeline Georges
  22. 22. Evaluation des besoins en DSM • Scénario #2: pompes à chaleur (PAC) + PVs Est-ce que cela aide? 25% PAC + 25% PVs LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 20 Emeline Georges
  23. 23. Evaluation des besoins en DSM • Scénario #2: pompes à chaleur (PAC) + PVs Est-ce que cela aide? 25% HPs + 25% PVs & surplus PV LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 21 Emeline Georges • Surcharge des transformateurs • Augmentation de la tension ↑ modulation de puissance Gestion de la demande primordiale
  24. 24. Evaluation des besoins en DSM • En résumé… L’outil de simulations développé permet • de déterminer l’évolution des profils de demande électrique pour différents scénarios • de rénovation • d’utilisation de systèmes innovants • … • La quantification des besoins de • modulation intelligente de la demande et de l’impact sur • la gestion du réseau électrique LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 22 Emeline Georges
  25. 25. LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges Partie 1: Introduction Partie 2: Evaluation des besoins de DSM 2. Autoconsommation de la production décentralisée 3. Service de flexibilité Conclusions Agenda PARTIE 3: Stratégies de modulation de la demande: 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles
  26. 26. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles Electricity retail tariffs Peut-on adapter les tarifs résidentiels d’électricité en fonction du prix de l’énergie sur le marché pour activer la flexibilité? LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 24 Emeline Georges 0 5 10 15 20 25 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Hour of the day Averageelectricityprice[€/kWh] Flat DN vs retailer’s procurement costs Source: Belpex, March 8-12th, 2017 ↑ consumption ↓ consumption
  27. 27. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 25 Emeline Georges Source: Flexipac project
  28. 28. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles • Utiliser l’inertie thermique des bâtiments comme stockage de chaleur… En pratique? LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 26 Emeline Georges Controller Smart meter -1°C
  29. 29. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles • Utiliser l’inertie thermique des bâtiments comme stockage de chaleur… En pratique? LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 27 Emeline Georges Controller Smart meter +1°C
  30. 30. 0 5 10 15 20 25 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 Retailprice[€/kWh] Flat Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 28 Emeline Georges 0 5 10 15 20 25 0 500 1000 1500 2000 2500 Hour of the day Heatpumppower[W]
  31. 31. 0 5 10 15 20 25 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 Retailprice[€/kWh] Flat Belpex 0 5 10 15 20 25 0 500 1000 1500 2000 2500 Hour of the day Heatpumppower[W]Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 29 Emeline Georges
  32. 32. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles • Résultats clés: • Le déplacement de charge entraîne une surconsommation jusqu’à 7% MAIS • Coûts d’achat sur le marché ↓ jusqu’à 10% en 2012, 45% en 2030 (>> RES) • Flexibilité ↑ jusqu’à 8% en 2012, 55% en 2030 • Facture ↓ jusqu’à 5% en 2012, 45% en 2030 (si les tarifications sont revues…) LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges Fournisseur Consommateur 30
  33. 33. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles – application au marché day-ahead Belpex LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges RES Nuclear Peak units CCGT Consumers + Flexible heat pumps 31
  34. 34. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles – application au marché day-ahead Belpex En 2012? Avec mix énergétique nucléaire – gaz – peu de renouvelable: NON, sauf si on a ~ 1 tranche nucléaire de pompes à chaleur LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges Est-ce qu’un nombre important de consommateurs flexibles peut éventuellement influencer les prix du marché? 32
  35. 35. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 50 100 150 200 250 300 350 Load duration [ ] DAprice[€/MWh] 2% HPs - no flex 2% HPs - flex 20% HPs - no flex 20% HPs - flex Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles – application au marché day-ahead Belpex LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges 2% de pompes à chaleurs flexibles 2% de pompes à chaleurs non-flexibles 33
  36. 36. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Load duration [ ] DAprice[€/MWh] 2% HPs - no flex 2% HPs - flex 20% HPs - no flex 20% HPs - flex Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles – application au marché day-ahead Belpex LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges 20% de pompes à chaleurs flexibles 20% de pompes à chaleurs non-flexibles Prix journalier moyen ↓ de 16% 34
  37. 37. 1 10 50 100 0 10 20 30 40 50 60 Percentage of flexible heat pumps [%] Costreduction[%] Average daily procurement costs Average market clearing price Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles – application au marché day-ahead Belpex • Et si on a plus d’énergies renouvelables? • 35% renouvelable: 30% PV and 70% éolien • 65% centrales traditionnelles • 20% pompes à chaleur LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges 44% 17% 2012 energy mix 35
  38. 38. Stratégies de modulation de la demande • Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles – application au marché day-ahead Belpex /! /! /! hypothèses de modélisation: ×l’entièreté de la puissance transitant sur le réseau est tradée sur le marché day-ahead en Belgique, c’est seulement 25-30%. ×le niveau de production des centrales traditionnelles peut-être ajusté de façon continue en réalité, >> renouvelables implique que certaines centrales ne peuvent plus être utilisées en « base » LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 36 Emeline Georges
  39. 39. Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles • Résumé Les consommateurs avec pompes à chaleur peuvent répondre aux besoins de flexibilité La flexibilité peut être activée par des tarifs d’électricité variables × À l'heure actuelle, les économies sont encore limitées × La flexibilité peut entraîner une surconsommation • Les consommateurs flexibles pourraient influencer les prix du marché à l'avenir LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges 37
  40. 40. LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges Partie 1: Introduction Partie 2: Evaluation des besoins de DSM 3. Service de flexibilité Conclusions Agenda PARTIE 3: Stratégies de modulation de la demande: 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles 2. Autoconsommation de la production décentralisée
  41. 41. Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée Comment encourager l’autoconsommation? A chaque « instant » t, LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 39 Emeline Georges Electricity grid Net meter Demande nette Tarif d’achat (« retail ») Production nette >0 Tarif de revente (« buy-back ») Buy-back ratio = buy-back tariff retail tariff 1: pas d’incitant 0: incitant fort
  42. 42. Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 40 Emeline Georges PAC Chauffe- eau PV Batterie 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 time [h] Electricalpower[W] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 time [h] Electricalpower[W] PV Total consumption - no battery - no incentive 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 BatterySOC[-] Buy-backratio[-] Buy-back ratio Tarif d’achat = tarif de revente
  43. 43. Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 41 Emeline Georges 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 BatterySOC[-] Buy-backratio[-] Buy-back ratio 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 time [h] Electricalpower[W] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 time [h] Electricalpower[W] PV Total consumption with incentive Total consumption - no battery - no incentive
  44. 44. Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 42 Emeline Georges 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 BatterySOC[-] Buy-backratio[-] Buy-back ratio 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 -4000 -2000 0 2000 4000 6000 time [h] Electricalpower[W] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 BatterySOC[-] Buy-backratio[-] Buy-back ratio Battery SOC Battery Heat pump & Water heater
  45. 45. 2. Autoconsommation de la production décentralisée Quel est l’impact de la diminution du prix de revente sur le réseau? En l’absence/l’incapacité d’autoconsommation, ↑ augmentation du temps de retour sur investissement. • Dans le cas d’un système sans batterie, pour le cas étudié: LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 43 Emeline Georges Stratégies de modulation de la demande • Il existe une puissance crête de PV installée optimale • Elle ↑ avec une gestion adéquate de la demande
  46. 46. Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée • Résultats clés: • Diminuer le tarif de revente du surplus PV est un bon incitant à l’autoconsommation SI un système de gestion de la charge est implémenté • Selon le type de stockage, la taille de l’installation PV et le tarif de revente du surplus de production, • L’autoconsommation augmente jusqu'à 32%, augmentation des économies du consommateur • Les émissions de CO2 diminuent de 13 à 46% LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 44 Emeline Georges
  47. 47. LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges Partie 1: Introduction Partie 2: Evaluation des besoins de DSM Conclusions Agenda PARTIE 3: Stratégies de modulation de la demande: 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur flexibles 2. Autoconsommation de la production décentralisée 3. Service de flexibilité
  48. 48. Stratégies de modulation de la demande 3. Service de flexibilité • Qui? Agrégateur qui contrôle des pompes à chaleur • Quoi? À partir de la consommation de son portfolio, il propose un service de modulation LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges Modulation 46
  49. 49. 3. Service de flexibilité • Pourquoi? • En cas de congestion du réseau de distribution • En case de déséquilibre du réseau Stratégies de modulation de la demande LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 47 Emeline Georges Source: Elia 350 MW = 175 000 chauffe-eaux électriques de 2kW = 116 000 pompes à chaleur de 3kW
  50. 50. Stratégies de modulation de la demande 3. Service de flexibilité • Comment? Caractéristique des charges contrôlées en température? = « effet rebond » période de payback LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 48 Emeline Georges Modulation Payback 𝒌 periods = “chauffer plus maintenant, c’est chauffer moins après” Déséquilibre qui apparait plus tard?
  51. 51. 3. Service de flexibilité • Exemple Stratégies de modulation de la demande LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 49 Emeline Georges
  52. 52. Stratégies de modulation de la demande 3. Service de flexibilité • Résumé: Les pompes à chaleur flexibles peuvent être utilisées pour fournir un service de flexibilité Elles peuvent fournir de la réserve à la hausse à un prix compétitif × La provision de réserve à la baisse est plus limitée • La caractérisation de la période de « payback » est primordiale pour la gestion opérationnelle du réseau LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017Emeline Georges 50
  53. 53. Conclusions • 3 mécanismes de modulation de charges électriques ont été présentés • Le potentiel de flexibilité des charges résidentielles permet • de répondre au besoin croissant de flexibilité du réseau électrique à un coût compétitif • Cependant, certains points doivent être approfondis • le cadre légal de rémunération des consommateurs pour le service • le respect de la vie privée • les modèles d’interactions entre les différents acteurs • Les stratégies de modulation présentées peuvent s’appliquer à d’autres types de charge/systèmes de production/applications LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 51
  54. 54. Merci pour votre attention emeline.georges@ulg.ac.be B49 Thermodynamics Laboratory Quartier Polytech 1 Allée de la Découverte 17 4000 Liège http://www.labothap.ulg.ac.be/cmsms/ LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 52 Emeline Georges

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