MODÉLISATION EN ÉLECTRIQUES DU SECTEUR RÉSIDENTIEL FRANÇAIS FOISONNEMENT

Transcription

1 MODÉLISATION EN PUISSANCE DES USAGES ÉLECTRIQUES DU SECTEUR RÉSIDENTIEL FRANÇAIS LA PROBLÉMATIQUE DU FOISONNEMENT G. Binet Copyright EDF 2015

2 SOMMAIRE 1. CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE DU SECTEUR RÉSIDENTIEL FRANÇAIS 2. LA PUISSANCE: INDISPENSABLE DIMENSION TEMPORELLE 3. QUELLE(S) MODÉLISATION(S)? 4. DEUX EXEMPLES 5. POINTS DURS ET VERROUS Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

3 CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE DU SECTEUR RÉSIDENTIEL FRANÇAIS

4 CONSOMMATIONS DE SECTEUR ÉNERGÉTIQUE FRANÇAIS PAR VECTEURS ÉNERGÉTIQUES ~ 29% de la consommation finale nationale transports compris Consommations du secteur résidentiel français (RP) par vecteur énergétique CEREN climat normal 2250DJU ,6TWh 0% 3% 4% 16% 39% Electricité Gaz réseau Fuel GPL Charbon Urbain, Autres 38% Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

5 CONSOMMATIONS ÉNERGÉTIQUES DU SECTEUR RÉSIDENTIEL PAR USAGES Consommation secteur résidentiel français (RP) 2012 climat normal 390,6TWh CEREN hors bois 20% 7% 12% 61% Chauffage ECS Cuisson Spécifique Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

6 PROGRESSION DE LA CONSOMMATION RÉSIDENTIELLE PAR USAGES VS. NOMBRE DE LOGEMENTS CHAUFFÉS À L ÉLECTRICITÉ Consommation des usages électriques CEREN climat normal 2250 DJU TWh et nombre de logements chauffés élec 160, ,0 120,0 100, , ,0 40,0 20, , Chauffage ECS Cuisson Spécifique Logements chauffés à l'élec Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

7 50% DE LA DEMANDE RÉSIDENTIELLE EN ÉLECTRICITÉ Finalités des consommations d'électricité 2012 climat normal 152,1 TWh CEREN h/an TW Spécifique Cuisson ECS Chauffage 0 Électricité hors spécifique Électricité spécifique Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

8 ÉVOLUTION DES USAGES RÉSIDENTIELS FRANÇAIS ADEME Chiffres clés du bâtiment 2013 kwh/m² Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

9 POINT COMMUN?

10 1 tonne POINT COMMUN?

11 1 tonne POINT COMMUN?

12 POINT COMMUN 1kW 1kWh 1h

13 LA PUISSANCE: INDISPENSABLE DIMENSION TEMPORELLE

14 COMMENT L ÉNERGIE EST CONSOMMÉE AU COURS DU TEMPS? X 1 1kW 1kWh 1h Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

15 COMMENT L ÉNERGIE EST CONSOMMÉE AU COURS DU TEMPS? X 1 X 1,3 A++ combiné 1kW 1kWh 1h Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

16 COMMENT L ÉNERGIE EST CONSOMMÉE AU COURS DU TEMPS? X 1 X 1,3 A++ combiné 1kW 1kWh 1h X 100 Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

17 COMMENT L ÉNERGIE EST CONSOMMÉE AU COURS DU TEMPS? X 100 en énergie X 1 X 157 en Pmax X 1,3 A++ combiné 1kW X 2,6 A+ simple sans freezer 1kWh 1h X 100 Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

18 40 ANS DE PROFILS DE CHARGE onnée ée entre la ne heure do sur la journé uite: ratio e enne sur un moyenne s ssance réd sance moye puissance Puis puiss et la Profil de charge national d un jour ouvrable de janvier (RTE et EDF) Structure t tarifaire, i accroissement des parcs, développement des usages, évolutions technologiques, modification des comportements ont contribué à aplanir le profil journalier Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

19 VARIABILITÉ SAISONNIÈRE VARIABILITÉ HEBDOMADAIRE Courbe de charge nationale tous secteurs Grande sensibilité de forme au type de jour ouvrable versus dimanche Grande sensibilité de niveau à la saisonnalité RTE Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

20 POURQUOI RAISONNER EN PUISSANCE? W t kwh t W Raisonner en énergie n est pas suffisant: La croissance de la puissance de pointe maximale est régulière, +36% depuis 2001 (record MW le 8/02/2012 à 19h) Objectifs multiples (non exhaustif): - technique: planification et dimensionnement du réseau - production: investissement dans des moyens de pointe etc. - commercial: éviter l achat onéreux au moment des pointes - gestion du pilotage et des effacements: estimer les potentiels mobilisables et leurs effets - optimisation i des intermittences: itt ENR, auto-consommation ti PV Il n existe pas de profil résidentiel mesuré Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

21 EXPLIQUER AUJOURD HUI ET ANTICIPER LES RUPTURES À VENIR Aucune méthode n est nest éprouvée pour reconstituer la courbe de charge résidentielle: Décomposée par usages: part thermo-sensible (chauffage essentiellement), eau chaude sanitaire, cuisson, usages spécifiques (lavage, froid alimentaire, électronique de loisir etc.) De façon non tendancielle: utilisation systématique de données passées observées (panels, campagnes de mesures) déformées ou ajustées Comment faire pour anticiper et prévoir les ruptures à venir au sein du secteur résidentiel? Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

22 EXPLIQUER AUJOURD HUI ET ANTICIPER LES RUPTURES À VENIR Un avenir de ruptures dans le secteur résidentiel évolutions technologiques (sèche-linge avec pompe à chaleur ) intégrations de nouveaux usages (véhicule électrique ) modifications des comportements humains, des habitudes de vie et des souhaits de confort Gestion à des mailles de plus en plus fines (quartier, ville) La demande en puissance résidentielle sera le témoin de ces évolutions Finalité: Pouvoir réaliser des études prospectives sur la courbe de charge d un dun ensemble de logements Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

23 EXPLIQUER AUJOURD HUI ET ANTICIPER LES RUPTURES À VENIR Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

24 QUELLE(S) MODÉLISATION(S)?

25 PROBLÉMATIQUE Modéliser ces ruptures implique l adoption d une vision unitaire Besoin d une méthode de reconstitution de la courbe de charge électrique du secteur résidentiel: bottom-up techno-explicite évolutive Résolutions de la méthode et champ d application: spatiale: du ménage individuel à l échelle nationale temporelle: calculs l au pas infra-horaire i adaptés aux fonctionnements t des appareils tous usages et par différenciation entre équipements Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

26 APPROCHE BOTTOM-UP TECHNO-EXPLICITE Nous privilégions cette approche a minima pour deux raisons fondamentales: - Elle permet de comprendre finement la constitution et la construction de la courbe de charge et donc a fortiori la consommation énergétique - Elle permet d anticiper des ruptures technologiques ou d usages dans des scénarios prospectifs ou de prévision, de quantifier les effets de structures tarifaires Cependant, cette approche est gourmande en données de mesures, de connaissance des ménages et des équipements. De plus, la simulation sur des populations de taille faible (quartier, poste source ) sont a priori critique. Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

27 MODÉLISATION BOTTOM-UP Ménage_1 chauffage ECS LV LL Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

28 MODÉLISATION BOTTOM-UP Ménage_1 chauffage ECS LV LL Ménage_2 Ménage_N Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

29 MODÉLISATION BOTTOM-UP Ménage_1 chauffage ECS LV LL Agrégation Ménage_2 Ménage_N Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

30 MODÉLISATION BOTTOM-UP Ménage_1 chauffage ECS LV LL Agrégation Ménage_2 Ménage_N Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

31 TECHNO-EXPLICITE X 1,3 A++ combiné X 2,6 A+ simple sans freezer Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

32 LES TROIS ENJEUX DE LA MODÉLISATION EN PUISSANCE -Le foisonnement (diversité) est la traduction de l ensemble des phénomènes qui conduisent à ce que personne ne fait la même chose au même moment, avec les mêmes équipements et de la même façon -Le choix du pas de temps -L échelle de la modélisation Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

33 LE CHOIX DU PAS DE TEMPS 2500 Impact du pas de temps Bouilloire 1,5L 15Ld'eau165Wh deau 165Wh Pour ne pas donner une image erronée de la réalité en termes de puissance appelée, le pas de temps doit être adapté à l usage considéré Échantillonnage 6s Échantillonnage 1' Échantillonnage 10' Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

34 L ÉCHELLE DE MODÉLISATION Échelle d observation National Bâtiment Petite Grande Constante de temps de l usage lusage Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

35 LES FOISONNEMENTS Foisonnement du parc: W 26,6M de lavelinge en France 53GW 52% Pmax Synchronisme parfait des ménages Le foisonnement naturel est ce qui «sauve» le système électrique mais c est le point dur des modélisations en puissance car a priori tout foisonne t Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

36 LES FOISONNEMENTS Foisonnement temporel Veille indétectable Asynchronismedu fonctionnement de réfrigérateurs Foisonnement temporel et technique 120 technique 00:00:00 00:38:00 01:16:00 01:54:00 02:32:00 03:10:00 03:48:00 04:26:00 05:04:00 05:42:00 06:20:00 06:58:00 07:36:00 08:14:00 08:52:00 09:30:00 10:08:00 10:46:00 11:24:00 12:02:00 12:40:00 13:18:00 13:56:00 14:34:00 15:12:00 15:50:00 16:28:00 17:06:00 17:44:00 18:22:00 19:00:00 19:38:00 20:16:00 20:54:00 21:32:00 22:10:00 22:48:00 23:26:00 A+ simple A++ combiné Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

37 LES FOISONNEMENTS Foisonnement Comportemental Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

38 LES FOISONNEMENTS Dans la vraie vie, il n y a pas deux journées identiques au sein d un même ménage et et encore moins entre 2 ménages! Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

39 LES FOISONNEMENTS Dans la vraie vie, il n y a pas deux journées identiques au sein d un même ménage et et encore moins entre 2 ménages! Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

40 TOUT FOISONNE! Technique Comportemental Socio économique Météorologie Type d'équipement Scénarios d'occupation Composition du foyer Température Type de bâtiment Scénarios d'activité Revenu Nébulosité Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

41 MÉTHODE DE RECONSTITUTION DE LA COURBE DE CHARGE Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

42 GÉNÉRATION DU FOISONNEMENT Modèle de parc Enquête nationale propre BDD mesures Extraction ad hoc (Quartier, ville, région ) Données de référence: consommations, cycles unitaires de puissance, caractérisation d équipements Construction de distributions temporelles d utilisation des équipements Profils de puissance moyens foisonnés, modélisation du foisonnement, critère DTW Modélisation bottom-up technoexplicite en puissance Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

43 RECONSTITUTION UNITAIRE PAR CYCLES UNITAIRES DE PUISSANCE (CUP): EXEMPLE DU LAVE-LINGE Chauffage de l eau CUP Lavage rinçage Essorage???? TOU 0 23 Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

44 QUAND A-T-ON (SUFFISAMMENT) FOISONNÉ? CRITÈRE DE CONVERGENCE N N 1 N OK? non oui STOP! N N N N ' 1 N' Nouvelle itération OK? oui STOP! N N N N' N'' 1 N' N'' non Nouvelle itération Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

45 DEUX EXEMPLES: DEUX EXEMPLES: USAGES SPÉCIFIQUES USAGES THERMIQUES

46 USAGES SPÉCIFIQUES - EXEMPLE DE GÉNÉRATION DE DIVERSITÉ COMPORTEMENTALE: STOCHASTIQUE CONTRAINT Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

47 USAGES SPÉCIFIQUES - EXEMPLE DE GÉNÉRATION DE DIVERSITÉ COMPORTEMENTALE: STOCHASTIQUE CONTRAINT PCR HC SO LA ED TAD LDRCM Réveil Matin Midi Après-midi Soir Nuit PCR : Préparation culinaire et repas; HC :Hygiène Corporelle; SO : Sommeil; LA : Lavage; ED : Entretien Domestique; TAD : Travail A Domicile; LDRCM : Loisirs Détente Repos Communications Mobilité Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

48 USAGES SPÉCIFIQUES - EXEMPLE DE GÉNÉRATION DE DIVERSITÉ COMPORTEMENTALE: STOCHASTIQUE CONTRAINT Pour chaque usage ou activité domestique Choix de l intervalle infra-journalier le plus probable Choix d un instant de déclenchement pour l usage/activité dans cet intervalle Prise en compte des autres usages/activités Prise en compte du scénario de présence des occupants à leur domicile Calcul de la courbe de charge de chaque équipement modélisé tout au long de la simulation Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

49 USAGES SPÉCIFIQUES - OBSERVATION DE L OBTENTION DU FOISONNEMENT Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

50 USAGES SPÉCIFIQUES - CRITÈRE D OBTENTION DU FOISONNEMENT: DYNAMIC TIME WARPING (DTW) Thèse EDF/Mines Paris Arnaud Grandjean «Introduction de non linéarités et de non stationnarités dans les modèles de représentation de la demande électrique résidentielle» Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

51 USAGES THERMIQUES DÉMARCHE DE MODÉLISATION Travaux de Patricia Bonneau et Jean-Marc Jicquel ENERBAT Construction de modèles de bâtiments unitaires Résidentiel & tertiaire Définition de 4 paramètres déterminants pour les besoins de chaud/froid Variation aléatoire de n fois ces 4 paramètres selon lois normales ou uniformes Lancement des n simulations Calcul l des Courbes de courbes besoins en médiane, min W/m2 et max «foisonnés» Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

52 USAGES THERMIQUES DÉMARCHE DE MODÉLISATION Un modèle thermique calcule pour une année à pas horaire: les besoins en chaud et en froid du bâtiment les consommations des systèmes et du bâtiment Météo Chauffage Climatisation Ventilation par usage et par zone pour une station météo donnée ECS scénarios (Apports internes, consignes,...) bâtiment Tarif Facture Énergétique ( kwh, ), Courbes Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

53 USAGES THERMIQUES DÉMARCHE DE MODÉLISATION Histogramme de l'infiltration linfiltration (Vol/h) Histogramme - Epaisseur de l'isolant lisolant Histogramme Température de confort Fréquence ,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Fréquence Fréquence ,0 18,5 19,0 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 140 Apports internes en nb de personnes présentes 23,0 Gestion: Température de consigne lundi , ,0 20, , ,0 17, ,0 15, , Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

54 USAGES THERMIQUES RÉSULTATS Stabilisation des courbes de charges à partir de 3000 courbes calculées Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

55 POINTS DURS ET VERROUS

56 POINTS DURS ET VERROUS IDENTIFIÉS (NON EXHAUSTIF) Modélisation du foisonnement: grande diversité des approches possibles et non exclusives: empirique, statistique, mathématique étude de sensibilité, grandeurs influentes versus négligeables gg différenciation en fonction de la taille de l ensemble observé (quartier, ville, national) Trouver les bons indicateurs Trouver la/les bonne(s) résolution(s) temporelles: de la minute à la demi-heure voire plus Calage et validation i du modèle Manque de données (mesures), d études (sociologiques) à potentiel généralisable Volume de données, temps de calculs Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF

57 MERCI

58 1 kwh 1kWh = 3,6x10 6 J = 859,8kcal Ep = mgh en J m en kg, h en m, g = 981N/kg 9,81 Ep vache = 1000 x 9,81 x 357,5 = 3,5x10 6 J 1 cuiller = 17ml 100g huile = 900kcal Densité = 0, ml = 920g 102ml = 845kcal Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF