Réponse à la demande (DSR) dans le chauffage urbain
Écrit par Sonja Salo. Publié précédemment par Fourdeg Oy at Mon 10 Sep 2018 11:00:00 AM EEST
Cet article a été précédemment publié dans Kuntatekniikka (12/2016).
Équiper le système de chauffage des bâtiments de dispositifs de contrôle intelligents peut apporter d'importants avantages économiques et environnementaux. Une fois les bâtiments raccordés au réseau local de chauffage urbain des villes ou des municipalités, il ne faut pas optimiser les bâtiments individuellement, mais l'ensemble du réseau de chauffage urbain en tant que système qui optimise simultanément la production, la distribution et la consommation.
Environ la moitié des foyers finlandais sont raccordés au chauffage urbain. La consommation totale d'énergie en 2015 était d'environ 33 TWh, soit une baisse de 5 % par rapport à l'année précédente, en raison d'un temps chaud record.
Le chauffage urbain a été considéré comme le moyen le plus rentable de chauffer les bâtiments, en particulier dans les zones urbaines. La Finlande, comme les autres pays nordiques, possède certains des réseaux de chauffage urbain les plus complets au monde. Cependant, d'autres formes de chauffage évoluent rapidement. La concurrence croissante et les changements d'orientation de la politique énergétique exercent une forte pression sur les entreprises de chauffage urbain pour qu'elles changent.
Le chauffage urbain est actuellement produit directement pour répondre à la demande des consommateurs et à des prix assez rigides. La consommation de chauffage urbain varie à la fois de manière saisonnière et quotidienne en fonction de la température extérieure et du comportement des consommateurs. La flexibilité de l'approvisionnement énergétique est principalement obtenue par des changements dans la production, l'utilisation de grands réservoirs d'eau et l'optimisation du réseau de distribution. Les pics momentanés de la demande doivent souvent être remplacés par des combustibles fossiles car ils sont adaptés aux changements rapides de la production de chaleur.
La chaleur est stockée dans des structures
Par ailleurs, la consommation d'énergie des bâtiments individuels pourrait être réduite lors de pics de consommation momentanés. L'objectif de la gestion de la demande de chauffage urbain est de transférer la bonne quantité d'énergie thermique nécessaire aux bâtiments au fil du temps, tout en optimisant la demande énergétique totale du réseau. Par exemple, l'énergie thermique peut être fournie aux bâtiments quelques heures avant un pic de demande. L'énergie fournie est stockée soit dans des réservoirs d'eau chaude, soit dans les structures des bâtiments, ce qui réduit la demande d'énergie des bâtiments pendant le pic de demande. Cela évite le démarrage d'une centrale électrique de secours coûteuse.
La gestion de la demande pour le chauffage urbain présente des similitudes avec celle utilisée pour l'électricité. Au niveau international, Demand Side Management est également considéré comme une économie d'énergie totale, et Demand Response dans les systèmes électriques fait référence au transfert d'énergie dans le temps. Contrairement à l'électricité, le chauffage urbain doit être produit localement.
Le chauffage urbain est également plus rigide en tant que forme d'énergie, il réagit plus lentement aux changements et la flexibilité doit être planifiée à l'avance. Avec une régulation intelligente de la température, l'utilisateur final ne remarque pas le changement momentané du chauffage en raison de la lenteur de la réaction.
L'objectif ultime de la réponse à la demande (DSR ) est de réaliser des économies à la fois en termes de consommation d'énergie et de coûts sans sacrifier la facilité d'utilisation. Par conséquent, la gestion de la demande en eau chaude sanitaire et en chauffage urbain n'offre que des possibilités limitées.
Batterie thermique virtuelle
Les bâtiments raccordés au chauffage urbain peuvent faire partie d'un accumulateur thermique virtuel et distribué doté d'un contrôle intelligent. Ces petits accumulateurs thermiques locaux apparaissent à la société de chauffage urbain comme une grande batterie thermique virtuelle qui peut être chargée et déchargée par l'opérateur de la même manière qu'une grande batterie thermique de réservoir d'eau.
Un système de stockage thermique distribué fonctionne comme une centrale électrique virtuelle dans les systèmes électriques. Ainsi, une entreprise de chauffage urbain peut augmenter la capacité de sa batterie virtuelle avec un investissement relativement faible, sans posséder de stockage physique.
Les stockages thermiques distribués peuvent être gérés à distance avec des appareils connectés à l'Internet des objets. Ses avantages sont les suivants : faibles coûts d'investissement, maintenance prédictive et utilisation efficace de l'espace. Un stockage thermique distribué dans une propriété chauffée par quartier est un accumulateur de chaleur important.
L'accumulateur de chaleur se charge et se décharge dans les structures en fonction de la variation de la température de l'air ambiant, ce qui permet un stockage de la chaleur à court terme, de l'ordre de quelques heures.
Lorsque les radiateurs augmentent leur puissance, l'air de la pièce se réchauffe en premier en raison d'une capacité thermique plus faible. Ensuite, l'énergie thermique est lentement transférée dans les structures de la pièce, comme les murs, le sol et le plafond.
En conséquence, lorsque la puissance des radiateurs diminue, les structures de la pièce transfèrent lentement l'énergie thermique dans l'air ambiant tout en maintenant une température constante.
La capacité de stockage thermique peut être augmentée
Le potentiel de stockage des structures dépend en grande partie de la capacité thermique du matériau, de sa masse et du gradient thermique auquel le stockage est appliqué. Les bâtiments liés à la gestion de la demande doivent avoir une structure lourde et donc posséder une capacité thermique élevée.
La capacité de stockage thermique peut être augmentée en ajoutant un stockage de chaleur latente (LHS) au lieu d'un stockage de chaleur sensible (SHS), ce qui peut être mis en œuvre soit par des systèmes actifs, soit par l'intégration passive de matériaux à changement de phase dans les structures.
Équiper un bâtiment de commandes intelligentes permet de réduire la consommation d'énergie d'un bâtiment car les contrôleurs équilibrent la température intérieure des pièces, abaissent la température en cas d'absence et apprennent la capacité thermique individuelle du bâtiment. Avec le bon contrôle, le bâtiment optimise et économise l'énergie.
Avec la gestion de la demande, la température interne d'un bâtiment peut augmenter momentanément, ce qui entraîne une augmentation des pertes de chaleur. Le bâtiment peut donc consommer plus d'énergie qu'il n'en économise pendant la panne de chaleur. Cependant, cette augmentation de la demande d'énergie a été réalisée pendant une période rentable et le coût total de la production d'énergie peut encore être diminué.
La puissance peut être réduite jusqu'à 30 %.
Le potentiel de stockage des structures dépend largement de la capacité thermique du matériau, de sa masse et du gradient thermique auquel le stockage est appliqué. Les bâtiments liés à l'élasticité de la demande sont aussi lourds que possible, c'est-à-dire qu'ils ont une masse thermique importante.
La capacité de stockage thermique peut être augmentée en choisissant le stockage de la chaleur latente plutôt que celui de la chaleur sensible, ce qui peut être réalisé soit par des systèmes actifs, soit par l'intégration passive de matériaux à changement de phase dans les structures.
Équiper le bâtiment de dispositifs de contrôle intelligents permet de réduire la consommation d'énergie du bâtiment, lorsque les contrôles équilibrent la température intérieure des pièces, abaissent la température en cas d'absence et apprennent la résistance thermique individuelle du bâtiment. Avec le bon contrôle, le bâtiment économise de l'énergie dans son ensemble.
Avec l'élasticité de la demande, la température interne du bâtiment peut augmenter momentanément, ce qui entraîne une augmentation des pertes de chaleur. Le bâtiment peut alors consommer plus d'énergie lorsqu'il économise la chaleur pendant une panne de courant. Cependant, cette augmentation de la demande d'énergie a été mise en œuvre de manière rentable, et les coûts totaux de production peuvent donc diminuer.
La puissance de crête peut être réduite jusqu'à 30%.
Des simulations spécifiques à une pièce et des simulations à l'échelle du réseau ont été réalisées pour la flexibilité de la demande de chauffage urbain. La simulation par pièce a montré que les points faibles du bâtiment se situent dans les pièces d'angle, qui ont une plus grande perte de chaleur que le reste du bâtiment. Par conséquent, avec une commande de chauffage spécifique à chaque pièce, il est possible d'utiliser le potentiel de stockage de l'ensemble du bâtiment.
Selon les recherches menées à Jyväskylä, il est possible de réduire la puissance du système de chauffage urbain de 25 à 30 %, ce qui permet d'éviter l'utilisation d'un centre de chauffage fonctionnant au fioul, par exemple.
La flexibilité de la demande de chauffage urbain fait partie du réseau de chauffage urbain intelligent de l'avenir. D'après la simulation du réseau, une société de chauffage urbain peut économiser environ 5 à 10 % des coûts variables du chauffage urbain en utilisant une batterie thermique distribuée.
La part des coûts variables dans les coûts totaux de la production de chauffage urbain varie en fonction, par exemple, de la structure de production, de la taille et de l'âge du réseau de chauffage urbain. Dans la simulation, les dépendances de la centrale de production combinée d'électricité et de chaleur et de la grande pompe à chaleur vis-à-vis du prix spot de l'électricité ont été prises en compte.
Une entreprise d'énergie peut trouver une valeur ajoutée à l'activité existante en ouvrant une conversation avec le client. Cela nous amène à l'une des questions centrales de l'élasticité de la demande : comment inciter les consommateurs à participer à l'élasticité ? Si la technologie existe, les bonnes incitations économiques et sociales sont encore en cours d'élaboration.
Il convient également d'actualiser l'attitude des consommateurs à l'égard de l'approvisionnement sans fin en énergie. Le secteur public pourrait être un précurseur et un pionnier en matière de chauffage urbain plus propre, plus intelligent et plus efficace.
Sources :
Energiateollisuus (2015) Energiavuosi
Sonja Salo (2016) Gestion prédictive de la demande dans les bâtiments connectés au chauffage et au refroidissement urbain,
Kärkkäinen et al. (2004) Gestion de la demande des systèmes de chauffage urbain.
