plus d’énergies renouvelables ? les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique....
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Emeline Georges, Doctorante Aspirant F.R.S. - FNRS, ULg
Vendredi 24 mars
Plus d’énergies renouvelables ?Les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique.
LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :
Plus d’énergies renouvelables? Les
bâtiments résidentiels au
service du réseau électrique
E. Georges, Doctorante
Aspirant FNRS Promoteur: V. Lemort
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
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LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 Emeline Georges
Transport
Introduction - Contexte LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017
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Nucléaire
Coo
CCGT/Gaz
Renouvelable
Industrie
Buildings
Réseau
Emeline Georges
Buildings • Production intermittente
(Source: Elia)
Introduction - Contexte LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017
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DSM Electrification • Pompes à chaleur • Climatisation • Véhicules électriques
1 tranche nucléaire
Emeline Georges
Equilibre du réseau
& Contraintes
• 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
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Emeline Georges
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
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Emeline Georges
Introduction - Concepts • Acteurs du marché de l’électricité
LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017
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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
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
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Emeline Georges
Introduction - Concepts • Pompe à chaleur
LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017
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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
LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 Emeline 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)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
100
200
300
400
500
600
time of the day [h]
Ave
rage
wee
kday
elec
tric
al d
eman
d [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
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Emeline Georges
~1 tranche nucléaire
~3/4 tranche nucléaire
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
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Emeline Georges
?
~5% des ménages
~1.3% des ménages
~65% des ménages
/!\ climatisation
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?
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Emeline Georges
Source: REN21 Renewables 2016 Global status report
Source: ezysolare
Evaluation des besoins en DSM • Développement d’un outil de simulation
1. Description du parc résidentiel belge
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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
Evaluation des besoins en DSM • Développement d’un outil de simulation
2. Modélisation des bâtiments et systèmes
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Emeline Georges
Aggregation
Final energy use &
Load profiles
Time [h]
Pow
er c
onsu
mpt
ion
[W] SLP
Simulations
Evaluation des besoins en DSM • Scénario #1: augmentation du nombre de pompes à
chaleur • Belgique - 2012:
<1%
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Emeline Georges
Pour un ménage moyen Pour l’ensemble du parc (~4.6 millions de ménages)
Evaluation des besoins en DSM • Scénario #1: augmentation du nombre de pompes à
chaleur • Belgique - scénario possible pour 2030:
10%
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Emeline Georges
Pour un ménage moyen Pour l’ensemble du parc (~4.6 millions de ménages)
Evaluation des besoins en DSM • Scénario #1: augmentation du nombre de pompes à
chaleur • Belgique – scénario possible pour 2050:
25%
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Emeline Georges
↑ de la demande de pointe de 24% � Besoin de plus d’unités de production de pointe
2 GW ~ 2 tranches nucléaires
Evaluation des besoins en DSM • Scénario #2: pompes à chaleur (PAC) + PVs � Est-ce que cela aide?
25% PAC
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Emeline Georges
Evaluation des besoins en DSM • Scénario #2: pompes à chaleur (PAC) + PVs � Est-ce que cela aide?
25% PAC + 25% PVs
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Emeline Georges
Evaluation des besoins en DSM • Scénario #2: pompes à chaleur (PAC) + PVs � Est-ce que cela aide?
25% HPs + 25% PVs & surplus PV
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Emeline Georges
• Surcharge des transformateurs
• Augmentation de la tension
↑ modulation de puissance Gestion de la demande primordiale
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
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Emeline Georges
LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 Emeline 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
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?
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Emeline Georges
0 5 10 15 20 250.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
Hour of the day
Ave
rage
ele
ctric
ity p
rice
[€/k
Wh]
Flat DN
vs retailer’s procurement costs
Source: Belpex, March 8-12th, 2017
↑ consumption
↓ consumption
Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur
flexibles
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Emeline Georges
Source: Flexipac project
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?
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Emeline Georges
Controller
Smart meter
-1°C
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?
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Emeline Georges
Controller
Smart meter
+1°C
0 5 10 15 20 25
0.16
0.18
0.2
0.22
0.24
0.26
Ret
ail p
rice
[€/k
Wh]
Flat
Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur
flexibles
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Emeline Georges
0 5 10 15 20 250
500
1000
1500
2000
2500
Hour of the day
Hea
t pum
p po
wer
[W]
0 5 10 15 20 25
0.16
0.18
0.2
0.22
0.24
0.26
Ret
ail p
rice
[€/k
Wh]
FlatBelpex
0 5 10 15 20 250
500
1000
1500
2000
2500
Hour of the day
Hea
t pum
p po
wer
[W]
Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur
flexibles
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Emeline Georges
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…)
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Fournisseur
Consommateur
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Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur
flexibles – application au marché day-ahead Belpex
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RES Nuclear
Peak units
CCGT
Consumers +
Flexible heat pumps
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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 2017 Emeline Georges
Est-ce qu’un nombre important de consommateurs flexibles peut éventuellement
influencer les prix du marché?
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0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.550
100
150
200
250
300
350
Load duration [ ]
DA
pric
e [€
/MW
h]
2% HPs - no flex2% HPs - flex20% HPs - no flex20% HPs - flex
Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur
flexibles – application au marché day-ahead Belpex
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2% de pompes à chaleurs flexibles
2% de pompes à chaleurs non-flexibles
33
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Load duration [ ]
DA
pric
e [€
/MW
h]
2% HPs - no flex2% HPs - flex20% HPs - no flex20% HPs - flex
Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur
flexibles – application au marché day-ahead Belpex
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20% de pompes à chaleurs flexibles
20% de pompes à chaleurs non-flexibles
Prix journalier moyen ↓ de 16%
34
1 10 50 1000
10
20
30
40
50
60
Percentage of flexible heat pumps [%]
Cost
redu
ctio
n [%
]
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
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44%
17%
2012 energy mix
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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 9en Belgique, c’est seulement 25-30%. × le niveau de production des centrales traditionnelles
peut-être ajusté de façon continue 9en réalité, >> renouvelables implique que certaines
centrales ne peuvent plus être utilisées en « base »
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Emeline Georges
Stratégies de modulation de la demande 1. Déplacement de charge avec pompes à chaleur
flexibles • Résumé 9 Les consommateurs avec pompes à chaleur peuvent répondre
aux besoins de flexibilité 9 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
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LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 Emeline 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
Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée Comment encourager l’autoconsommation? A chaque « instant » t,
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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
Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée
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Emeline Georges
PAC Chauffe-
eau
PV
Batterie
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
1000
2000
3000
4000
5000
6000
time [h]
Elec
tric
al p
ower
[W]
PVTotal consumption - no battery - no incentive
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
1000
2000
3000
4000
5000
6000
time [h]
Elec
tric
al p
ower
[W]
PVTotal consumption - no battery - no incentive
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Batte
ry S
OC
[-]
Bu
y-ba
ck ra
tio [-
]
Buy-back ratio
Tarif d’achat = tarif de revente
Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée
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Emeline Georges
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Batte
ry S
OC
[-]
Bu
y-ba
ck ra
tio [-
]
Buy-back ratio
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240
1000
2000
3000
4000
5000
6000
time [h]
Elec
tric
al p
ower
[W]
PV
Total consumption with incentiveBattery with incentive
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24-4000
-2000
0
2000
4000
6000
time [h]
Elec
tric
al p
ower
[W]
PV
Total consumption with incentiveTotal consumption - no battery - no incentive
Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée
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0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Batte
ry S
OC
[-]
Bu
y-ba
ck ra
tio [-
]
Buy-back ratio
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24-4000
-2000
0
2000
4000
6000
time [h]
Elec
tric
al p
ower
[W]
PV
Total consumption with incentiveTotal consumption - no battery - no incentive
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Batte
ry S
OC
[-]
Bu
y-ba
ck ra
tio [-
]
Buy-back ratioBattery SOC
Battery
Heat pump &
Water heater
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:
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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
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%
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Emeline Georges
LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 Emeline 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
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 2017 Emeline Georges
Modulation 46
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
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Emeline Georges
Source: Elia
350 MW = 175 000 chauffe-eaux électriques de 2kW
= 116 000 pompes à chaleur de 3kW
Stratégies de modulation de la demande 3. Service de flexibilité • Comment?
Caractéristique des charges contrôlées en température? = « effet rebond » Î période de payback
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Emeline Georges
Modulation Payback 𝒌 periods
= “chauffer plus maintenant, c’est chauffer moins après” � Déséquilibre qui
apparait plus tard?
3. Service de flexibilité • Exemple
Stratégies de modulation de la demande LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017
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Stratégies de modulation de la demande 3. Service de flexibilité
• Résumé: 9 Les pompes à chaleur flexibles peuvent être utilisées pour
fournir un service de flexibilité 9 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
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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
Merci pour votre attention
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
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Emeline Georges