plus d’énergies renouvelables ? les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique....

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

2

LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017 Emeline Georges

Transport

Introduction - Contexte LIEGE CREATIVE – 24 mars 2017

3

Nucléaire

Coo

CCGT/Gaz

Renouvelable

Industrie

Buildings

Réseau

Emeline Georges

Buildings • Production intermittente

(Source: Elia)


4

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


5

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

6

Emeline Georges

Introduction - Concepts • Acteurs du marché de l’électricité


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

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


8

Emeline Georges

Introduction - Concepts • Pompe à chaleur


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


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

11

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?


12

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?


13

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


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

Evaluation des besoins en DSM • Développement d’un outil de simulation

2. Modélisation des bâtiments et systèmes


15

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%


16

Emeline Georges

Pour un ménage moyen Pour l’ensemble du parc (~4.6 millions de ménages)


chaleur • Belgique - scénario possible pour 2030:

10%


17

Emeline Georges

Pour un ménage moyen Pour l’ensemble du parc (~4.6 millions de ménages)


chaleur • Belgique – scénario possible pour 2050:

25%


18

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


19

Emeline Georges


25% PAC + 25% PVs


20

Emeline Georges


25% HPs + 25% PVs & surplus PV


21

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


22

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?


24

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


flexibles


25

Emeline Georges

Source: Flexipac project


flexibles • Utiliser l’inertie thermique des bâtiments comme stockage de

chaleur… En pratique?


26

Emeline Georges

Controller

Smart meter

-1°C


flexibles • Utiliser l’inertie thermique des bâtiments comme stockage de

chaleur… En pratique?


27

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


flexibles


28

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]


flexibles


29

Emeline Georges


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…)


Fournisseur

Consommateur

30


flexibles – application au marché day-ahead Belpex


RES Nuclear

Peak units

CCGT

Consumers +

Flexible heat pumps

31



En 2012?

Avec mix énergétique nucléaire – gaz – peu de renouvelable:

NON, sauf si on a ~ 1 tranche nucléaire de pompes à chaleur


Est-ce qu’un nombre important de consommateurs flexibles peut éventuellement

influencer les prix du marché?

32

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




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




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


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


44%

17%

2012 energy mix

35

Stratégies de modulation de la demande • Déplacement de charge avec pompes à chaleur


/!\ /!\ /!\ 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 »


36

Emeline Georges


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


37



3. Service de flexibilité

Conclusions

Agenda

PARTIE 3:



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,


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

Stratégies de modulation de la demande 2. Autoconsommation de la production décentralisée


40

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



41

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



42

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 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:


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


• 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%


44

Emeline Georges



Conclusions

Agenda

PARTIE 3:



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


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

47

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


48

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

49

Emeline Georges

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


51

Merci pour votre attention

[email protected]

B49 Thermodynamics Laboratory Quartier Polytech 1

Allée de la Découverte 17 4000 Liège

http://www.labothap.ulg.ac.be/cmsms/


52

Emeline Georges

plus d’énergies renouvelables ? les bâtiments résidentiels au service du réseau électrique....

Environment