MODÉLISATION EN PUISSANCE DES USAGES ÉLECTRIQUES DU SECTEUR RÉSIDENTIEL FRANÇAIS LA PROBLÉMATIQUE DU FOISONNEMENT G. Binet Copyright EDF 2015
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 2015 2
CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE DU SECTEUR RÉSIDENTIEL FRANÇAIS
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 2012 390,6TWh 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 2015 4
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 2015 5
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 10 000 000 140,0 120,0 100,0 9 000 000 8 000 000 7 000 000 6 000 000 80,00 5 000 000 60,0 40,0 20,0 4 000 000 3 000 000 2 000 000 1 000 000 0,0 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Chauffage ECS Cuisson Spécifique Logements chauffés à l'élec Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 6
50% DE LA DEMANDE RÉSIDENTIELLE EN ÉLECTRICITÉ 80 70 60 Finalités des consommations d'électricité 2012 climat normal 152,1 TWh CEREN h/an TW 50 40 30 20 10 Spécifique Cuisson ECS Chauffage 0 Électricité hors spécifique Électricité spécifique Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 7
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 2015 8
POINT COMMUN?
1 tonne POINT COMMUN?
1 tonne POINT COMMUN?
POINT COMMUN 1kW 1kWh 1h
LA PUISSANCE: INDISPENSABLE DIMENSION TEMPORELLE
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 2015 14
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 2015 15
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 2015 16
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 2015 17
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 2015 18
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 2015 19
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 101 700MW 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 2015 20
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 2015 21
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 2015 22
EXPLIQUER AUJOURD HUI ET ANTICIPER LES RUPTURES À VENIR Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 23
QUELLE(S) MODÉLISATION(S)?
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 2015 25
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 2015 26
MODÉLISATION BOTTOM-UP Ménage_1 chauffage ECS LV LL Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 27
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 2015 28
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 2015 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 2015 30
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 2015 31
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 2015 32
LE CHOIX DU PAS DE TEMPS 2500 Impact du pas de temps Bouilloire 1,5L 15Ld'eau165Wh deau 165Wh 2000 1500 1000 500 0 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 2015 33
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 2015 34
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 2015 35
LES FOISONNEMENTS Foisonnement temporel Veille indétectable Asynchronismedu fonctionnement de réfrigérateurs 200 180 160 140 80 100 60 40 20 0 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 2015 36
LES FOISONNEMENTS Foisonnement Comportemental Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 37
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 2015 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 2015 39
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 2015 40
MÉTHODE DE RECONSTITUTION DE LA COURBE DE CHARGE Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 41
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 2015 42
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 2015 43
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 2015 44
DEUX EXEMPLES: DEUX EXEMPLES: USAGES SPÉCIFIQUES USAGES THERMIQUES
USAGES SPÉCIFIQUES - EXEMPLE DE GÉNÉRATION DE DIVERSITÉ COMPORTEMENTALE: STOCHASTIQUE CONTRAINT Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 46
USAGES SPÉCIFIQUES - EXEMPLE DE GÉNÉRATION DE DIVERSITÉ COMPORTEMENTALE: STOCHASTIQUE CONTRAINT PCR HC SO LA ED TAD LDRCM Réveil 1 1 0 1 1 1 1 Matin 0 0 0 1 1 1 1 Midi 1 0 0 0 0 0 1 Après-midi 0 0 0 1 1 1 1 Soir 1 1 0 1 1 1 1 Nuit 0 0 1 0 0 0 0 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 2015 47
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 2015 48
USAGES SPÉCIFIQUES - OBSERVATION DE L OBTENTION DU FOISONNEMENT Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 49
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» https://tel.archives-ouvertes.fr/pastel-00817969/document Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 50
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 2015 51
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 2015 52
USAGES THERMIQUES DÉMARCHE DE MODÉLISATION Histogramme de l'infiltration linfiltration (Vol/h) Histogramme - Epaisseur de l'isolant lisolant Histogramme Température de confort Fréquence 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1,0 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 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Fréquence 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 18,0 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 120 22,0 100 21,0 20,0 80 19,0 60 18,0 17,0 40 16,0 15,0 20 14,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 53
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 2015 54
POINTS DURS ET VERROUS
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 2015 56
MERCI guillaume.binet@edf.fr
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 = 0,92 1000ml = 920g 102ml = 845kcal Modélisation en puissance des usages électriques du secteur résidentiel français G. Binet Copyright EDF 2015 58