Soutenance mémoire
Méthodologie
Le présent travail de recherche a envisagé comme base méthodologique le développement des points suivants
Étape 1 : Revue Bibliographique « L’état de la technique »
Une recherche bibliographique est réalisée afin d’approfondir la compréhension du sujet d’étude: gestion de la demande, déplacement de la charge, systèmes de stockage thermique, ainsi que le chauffe-eau électrique. Celle-ci a permis l’identification de l’ état de l’art sur la modélisation du système de stockage thermique du chauffe-eau électrique et les principales méthodes utilisées pour la gestion de la demande en utilisant les systèmes de stockage thermique comme charges déplaçables.
Étape 2 : Identification du modèle « SéLection et ajustement du modèle de chauffe-eau »
L’étape précédente a donné lieu à J’identification des modèles de chauffe-eau existants, et de même, la compréhension du fonctionnement interne du chauffe-eau. Un modèle de chauffe-eau a été sélectionné pour être ensuite mis en oeuvre et adapté avec les caractéristiques du système de chauffe-eau de foyers québécois.
Étape 3 : Proposition de la strategie de gestion « Cas d’étude »
Se fondant sur la problématique, une stratégie de gestion a été proposée à partir de la formulation d’un problème d’optimisation. Cette stratégie a pour but de minimiser les pics de consommation toujours en assurant la satisfaction de consommateurs.
La mise en oeuvre d’une stratégie de gestion a été analysée en ajoutant un processus de classification de consommateurs. En ce qui concerne le partitionnement de données, les profils de consommation électrique du chauffe-eau ont été analysés et un haut niveau de corrélation de consommation entre certains clients a été trouvé. En conséquence, il est proposé de réaliser une classification des consommateurs par rapport à leur profil de consommation de puissance électrique du chauffe-eau.
Dans cet ordre d’ idées, la gestion a été fonnulée en fonction d’un processus d’optimisation dynamique et l’application d’un partitionnement de données aux profils de puissance. La stratégie d’optimisation proposée, permet d’établir une commande marche-arrêt des éléments chauffants du chauffe-eau en analysant le profil de consommation d’eau chaude par consommateur ou pour un groupe de consommateurs et les périodes de pointe de la demande globale des clients contrôlés, par rapport à la consommation des chauffe-eau.
Étape 4: Développement de l’algorithme « Intégration de l ‘algorithme de gestion»
L’implémentation de la gestion a été réalisée en utilisant le modèle du chauffe-eau sélectionné auparavant. Un groupe de consommateurs avec différents profils de consommation d’eau chaude ont été analysés. En étudiant différents scénarios de gestion pour un certain nombre de clients, les variations du profil de puissance diversifiées du chauffe-eau ont été comparées avec le profil de puissance de référence.
Parmi les principaux processus évalués, se trouvent :
– le déplacement et réduction de la pointe;
– la consommation finale d’énergie accumulée;
– la satisfaction du consommateur;
– l’effet de reprise;
– le temps de calcul.
Étape 5 : Validation et simulation du modèle « La mise en oeuvre du banc d’essai»
Finalement, l’adaptation d’ un banc d’essai a pennis de réaliser une validation expérimentale pour évaluer la performance du modèle de chauffe-eau.
Organisation du mémoire
La suite de ce mémoire est organisée de la manière suivante: le deuxième chapitre présente les résultats de l’étude bibliographique dans lequel est présenté l’état de l’ art des travaux réalisés dans la gestion de la demande électrique en utilisant les systèmes de stockage thermique, tels que les chauffe-eau. Le troisième chapitre décrit la modélisation du système de chauffe-eau électrique en présentant la validation expérimentale des modèles étudiés. Au quatrième chapitre, la proposition du système de gestion est présentée de même que les algorithmes implémentés, leur simulation et validation. Finalement, le cinquième chapitre est dédié aux conclusions générales, les discussions des résultats obtenus et les recommandations pour les travaux futurs.
La production d’électricité doit être toujours ajustée à la demande électrique des consommateurs. Le déséquilibre présent entre la consommation et la production d’électricité, lorsque la demande est plus forte, a mené au développement de plusieurs méthodes de gestion d’énergie, certaines d’entre elles, en utilisant les systèmes de stockage thermique.
Ce chapitre présente une étude résumée des systèmes de gestion de la demande électrique afin de réduire la pointe de consommation, en se concentrant en particulier sur les processus de déplacement de la pointe et l’intégration des systèmes de stockage thermique tel que le chauffe-eau. De plus, la problématique et les particularités de l’état actuel des chauffe-eau électriques au Québec sont présentées.
Généralités
Les stratégies de gestion de la demande ont créé un changement plus efficace de l’utilisation de l’électricité pour les consommateurs finaux. Les techniques de gestion et déplacement des charges constituent des alternatives pour réduire et équilibrer la consommation d’électricité. Néanmoins, leurs mises en oeuvre peut mettre en péril le confort des clients; leur application dépend donc de l’ acceptation des consommateurs. À cet effet, des programmes de réponse à la demande (Demand response en anglais) ont été créés. Les clients sont alors encouragés à réduire leur consommation d’ électricité en s’impliquant aux programmes proposés par les utilités en échange de recevoir des avantages, soit économiques, environnementaux, ou réglementaires [17]. La Figure 2.1 montre certains programmes.
D’ailleurs, afin d’ accroître l’efficacité énergétique, les programmes de gestion de la demande énergétique doivent considérer les facteurs suivants pour leur mise en oeuvre [10] :
-t Les coûts pour le consommateur ;
-t Les fluctuations dans les prix des carburants et le tarif d’ électricité;
-t La quantité d’énergie économisée selon la méthode utilisée ;
-t Les pertes de production associées à la mise en oeuvre des programmes de gestion.
Les systèmes de DSM ont une architecture caractéristique composée de certains éléments particuliers. La Figure 2.2 donne un aperçu général de cette architecture [9, 18].
Parmi les principaux éléments présents dans un système DSM, il convient de signaler; la présence de la production décentralisée, les systèmes de mesurage intelligent, l’exploitation des systèmes de stockage d’énergie et l’ échange d’ informations entre les utilisateurs et le système de production d’ électricité [18].
Réduction et processus de déplacement de la pointe de consommation
Une pointe de consommation d’électricité est définie comme le court temps pendant lequel la consommation électrique est plus forte. Il y a plusieurs types de pointes de consommation électrique, ceux-ci dépendent de la durée de l’observation et la zone géographique. Parmi ces dernières figurent: les pointes journalières, les pointes saisonnières et les pointes locales.
Les pointes journalières diffèrent de la saison auxquelles elles sont mesurées. En hiver au Québec, par exemple, les pointes de consommation sont généralement observées autour de 6h-7h et l8h-19h, soit respectivement en début de la journée et au retour du travail quand les personnes arrivent à la maison. Par contre en été ou en période estivale aux États Unis, les pointes de consommation sont plutôt observées vers 12h-13h. Dans d’ autres cas, comme le Québec, les heures de pointe de consommation ne présentent pas une grande diversité.
Cependant, l’importance des pointes de consommation en été est moindre par rapport à l’ hiver.
D’une façon générale, les pointes journalières varient d’un pays à l’autre et par jour de la semaine. Par exemple, les pointes de consommation ont une amplitude différente les jours ouvrables des fins de semaine.
Les pointes saisonnières peuvent être plus importantes pendant les périodes d’ hiver, notamment dans les pays comme le Canada, la Russie et les États-Unis. Ceux-ci ayant des périodes de grand froid, ils ont des pointes de consommation plus fortes par rapport aux pays tropicaux situés principalement en Amérique centrale et Amérique du Sud, le centre et une partie du sud de l’Afrique [19]. Pour ces derniers, leurs pointes saisonnières apparaissent dans les périodes de canicule en été.
Parmi les stratégies de gestion de la demande, il convient de souligner les programmes de la gestion de la charge. Ceux-ci cherchent une réduction de la consommation d’ énergie en modifiant le profil de charge. Il existe un certain nombre de types de techniques de nivellement de charge, telles que [10] :
– Aplatir les périodes de pointe (Peak clipping en anglais): cette technique consiste à couper les pics de consommation d ‘électricité à partir de la réduction de la consommation des charges maximales du système aux heures de pointe.
– Combler les périodes creuses (Valley filling en anglais) : l’objectif de cette technique consiste à remplir les périodes de faible demande, utilisant d’avantage certaines charges électriques pendant les périodes de vallée. Les charges utilisées dans ce type de stratégie ont la capacité de stockage d’ énergie thermique, comme par exemple : le chauffage de l’eau ou le chauffage de l’espace.
– Décaler les charges (Load shifting en anglais) : en déplaçant la consommation des périodes de pointe aux périodes de basse consommation.
La Figure 2.3 montre certaines techniques de nivellement de charge [10]. Le décalage de charge constitue une des options les plus appropriées en termes d’efficacité et du maintien du confort. Profitant de leur grande capacité de stockage d’ énergie, certains systèmes comme le chauffage d’eau et le chauffage d’ espace sont allumés avant les périodes de pointe afin de garantir le confort des clients.
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Table des matières
Résumé
Remerciements
Dédicace
Table de matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des algortihmes
Liste d’abréviations et symboles
Chapitre 1- Introduction
1.1 Contexte général et problématique du projet de recherche
1.2 Objectifs du travail de recherche
1.3 Méthodologie
1.4 Organisation du mémoire
Chapitre 2- État de la technique: l’efficacité énergétique et la gestion de la demande électrique
2.1 Généralités
2.2 Réduction et processus de déplacement de la pointe de consommation
2.3 Systèmes de gestion de stockage de l’énergie: stockage thermique
2.4 Les chauffe-eau comme des outils de gestion de la demande électrique
2.4.1 Considérations générales du chauffe-eau
2.4.2 Types de systèmes de chauffe-eau
2.4.3 Chauffe-eau électrique au Canada et au Québec
2.4.4 Problématique et particularités du chauffe-eau électrique
2.5 Analyses et synthèse des revues
Chapitre 3- Modélisation du chauffe-eau électrique
3.1 Introduction
3.2 Modèles du chauffe-eau électrique
3.2.1 Modèle à une seule masse
3.2.2 Modèle stratifié
3.2.3 Cadre d’analyses-comparaison des modèles
3.3 Estimation de paramètres physiques du modèle
3.3.1 Modèle à une seule masse: estimation des paramètres en utilisant les mesures de la puissance du chauffe-eau électrique
3.3.2 Modèle stratifié: Estimation des paramètres en utilisant le filtre de Kalman étendu (EKF)
3.4 La mise en oeuvre des modèles de chauffe-eau électrique
3.5 Résumé
Chapitre 4- Proposition d’une stratégie de gestion pour la réduction de la consommation en heures de pointe
4.1 Généralités
4.2 Caractérisation des profils de puissance du chauffe-eau électrique .
4.3 Partitionnement de données
4.3.1 Pré-traitement de données
4.3.2 Méthode de classification: K-moyennes (K-Means)
4.4 Stratégie de gestion
4.4.1 Programmation dynamique
4.5 Évaluation de la mise en oeuvre de la stratégie de gestion
4.5.1 Résultats
4.6 Résumé
Chapitre 5- Conclusions générales
Annexe A- Développement des modèles de chauffe-eau électrique
A.I Modèle stratifié: estimation des paramètres physiques.
A.I.I Calcul de la matrice Jacobienne
A.I.2 Estimation de la température . .
A.I.3 Analyse de la température d’entrée d’eau
A.l.4 Analyse de consommation d’eau chaude
A.l.5 Simulation et validation expérimentale .
A.2 Modèles développées sous MATLAB-Simulink
Annexe B- Développement de la stratégie de gestion
B.I Caractérisation d’un consommateur
B.2 Mise en oeuvre de la méthode de K-Moyennes
B.2.1 Méthode de la Silhouette
B.2.2 Programmation dynamique: Suite de l’algorithme
Annexe C- Banc d’essai expérimental
C.l Description du banc d’essai
C.l.l Capteurs de température
C.1.2 Capteurs de courant et tension et capteurs de débit de l’eau
C.1.3 Électrovannes et contrôle
C.1.4 Acquisition de données et Interface graphique
Annexe D- Communications
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