WO2024074391A1 - Procédé d'alimentation d'un réseau énergétique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé (100) d'alimentation énergétique d'un réseau d'énergie (2), comprenant, pour alimenter le réseau (2) au moyen d'une source d'énergie intermittente (3) et d'un système de stockage d'énergie (4), les étapes suivantes : - détermination (101) d'une quantité optimale d'énergie à fournir au réseau d'ici un instant futur prédéterminé; - détermination (102) d'une quantité minimale d'énergie qui devrait être fournie au réseau d'ici l'instant futur, cette quantité minimale étant inférieure à la quantité optimale d'énergie; - prévision (104) d'une quantité d'énergie hypothétique qui pourrait être fournie au réseau d'ici un instant futur en faisant l'hypothèse d'une absence de décharge dans le réseau, d'ici cet instant futur, d'énergie issue du système de stockage; - dans le cas où la quantité d'énergie hypothétique déterminée est supérieure ou égale à la quantité d'énergie minimale à fournir au réseau à l'instant futur, fourniture (108) d'énergie dans le réseau uniquement à partir de la source d'énergie intermittente, sans décharge du système de stockage. Figure pour l'abrégé : pas de figure
Description
Description
Titre de l’invention : Procédé d’alimentation d’un réseau énergétique
L’invention concerne l’alimentation énergétique d’un réseau d’énergie au moyen d’une source d’énergie intermittente et d’un système de stockage d’énergie.
Dans certaines conditions, en particulier dans des réseaux énergétiques isolés tels que les réseaux électriques situés sur des îles, le gestionnaire électrique du réseau exige, des exploitants de centrales énergétiques situés sur le réseau, des engagements concernant la quantité d’énergie que les centrales prévoient de fournir au réseau sur des périodes de temps prédéterminées au cours d’une journée, de manière à ce que le gestionnaire puisse disposer d’une prévision de l’énergie qui sera disponible à chaque instant sur le réseau. Chaque exploitant doit ensuite respecter ses engagements, en fournissant au réseau la quantité d’énergie à laquelle il s’est engagé sur chaque période de temps prévue au cours de la journée. Cependant, pour une centrale énergétique fabriquant de l’énergie uniquement au moyen d’une source d’énergie intermittente, telle que l’énergie solaire, l’énergie fournie au réseau électrique dépend entièrement de la disponibilité de cette source d’énergie, de sorte qu’il est difficile de tenir les engagements sans faire appel à d’autres moyens. En particulier, on associe à la source d’énergie intermittente un système de stockage, tel que des batteries, pour stocker une partie de l’énergie issue de la source d’énergie intermittente et pour la décharger dans le réseau électrique aux moments opportuns.
Pour décider de la consigne de déchargement du système de stockage dans le réseau, une solution de l’état de la technique est de décharger le système de stockage aussi souvent que nécessaire, si la source d’énergie intermittente n’est pas suffisante, de manière à ce qu’à chaque instant la quantité d’énergie fournie au réseau par la centrale soit égale à la quantité d’énergie à laquelle la centrale est engagée sur la période de temps en cours.
Un inconvénient de cette stratégie est qu’elle sollicite énormément le système de stockage pour son déchargement. Le système de stockage s’use, il devient moins performant, voire doit être remplacé. Corollairement, un système de stockage n’est garanti par son fabricant que pour un certain nombre de charges et décharges, nombre au-delà duquel tout incident expose l’exploitant de la centrale à des dommages non assurés.
L'invention a notamment pour but de permettre de fournir une quantité d’énergie prédéterminée à un réseau énergétique, au moyen d’une source d’énergie intermittente, tout en limitant au maximum les déchargements d’un système de stockage d’énergie.
À cet effet l’invention a pour objet un procédé d’alimentation énergétique d’un réseau d’énergie, comprenant, pour alimenter le réseau au moyen d’une source d’énergie intermittente et d’un système de stockage d’énergie, les étapes suivantes :
- détermination d’une quantité optimale d’énergie à fournir au réseau d’ici un instant futur prédéterminé;
- détermination d’une quantité minimale d’énergie qui devrait être fournie au réseau d’ici l’instant futur, cette quantité minimale étant inférieure à la quantité optimale d’énergie ;
- prévision d’une quantité d’énergie hypothétique qui pourrait être fournie au réseau d’ici un instant futur en faisant l’hypothèse d’une absence de décharge dans le réseau, d’ici cet instant futur, d’énergie issue du système de stockage;
- dans le cas où la quantité d’énergie hypothétique déterminée est supérieure ou égale à la quantité d’énergie minimale à fournir au réseau à l’instant futur, fourniture d'énergie dans le réseau uniquement à partir de la source d'énergie intermittente, sans décharge du système de stockage.
Ainsi, on considère une valeur optimale et une valeur minimale de quantité d’énergie à fournir au réseau et, même si la prévision de la quantité d’énergie hypothétique indique une quantité fournie qui risque d’être inférieure à la quantité d’énergie optimale à l’instant futur, on ne décharge pas le système de stockage tant que cette quantité d’énergie hypothétique est supérieure à la valeur minimale prédéterminée, en attendant l’évolution de la situation. De cette façon, on retarde une éventuelle décharge du système de stockage à un instant ultérieur, instant ultérieur où soit l’on déclenchera la décharge dans une situation restant acceptable, soit la source intermittente d’énergie fournira de nouveau une quantité d’énergie suffisamment élevée pour atteindre la quantité d’énergie souhaitée, optimale, fournie au réseau sans qu’on n’ait eu à utiliser le système de stockage. En d’autres termes, plutôt que d’utiliser le système de stockage dès que la quantité d’énergie transmise au réseau en cours est inférieure à une quantité prévue, on anticipe quelle sera l’évolution future de la quantité transmise en fonction des conditions présentes et, si cette évolution future n’est pas déraisonnable, on n’utilise pas le système de stockage et on laisse ainsi une chance à la source intermittente de fournir à nouveau suffisamment d’énergie le moment venu, de manière à respecter la prévision en moyenne. Grâce à la quantité minimale à respecter et à ce pilotage anticipé de la quantité fournie au réseau, on économise donc le système de stockage tout en optimisant la transmission d’énergie au réseau.
Suivent d’autres caractéristiques optionnelles prises seules ou en combinaison.
Avantageusement, le procédé comprend, avant l’étape de fourniture d’énergie dans le réseau, une étape de détermination d’une puissance énergétique à fournir par la source intermittente, fondée sur la quantité d’énergie optimale et non sur la quantité d’énergie minimale.
Ainsi, étant donné que la quantité d’énergie hypothétique est supérieure à la quantité minimale à fournir au réseau à l’instant futur, on vise la quantité d’énergie optimale pour cet instant futur et ce sans décharge du système de stockage. En d’autres termes, la consigne de puissance vise à utiliser la source intermittente seule pour essayer d’atteindre la quantité d’énergie optimale à l’instant futur.
De préférence, dans le cas où la quantité d’énergie hypothétique est inférieure à la quantité d’énergie minimale à fournir au réseau à l’instant futur, le procédé comprend une étape de fourniture, dans le réseau, d’énergie à partir de la source d’énergie intermittente et d’énergie à partir du système de stockage en déchargeant le système de stockage.
Ainsi, dans ce cas, on autorise la décharge du système de stockage dans le réseau d’énergie. On utilise donc le système de stockage uniquement dans le cas où il est identifié que, dans le futur, la quantité d’énergie risque d’être inférieure non pas à la quantité d’énergie optimale mais à la quantité d’énergie minimale à fournir au réseau. Ainsi, plutôt que d’utiliser le système de stockage à tout moment, on l’utilise uniquement dans ce cas afin d’éviter une quantité d’énergie s’éloignant trop de la trajectoire énergétique souhaitée.
Dans ce cas, avantageusement, avant l’étape de fourniture d’énergie, le procédé comprend une étape de détermination d’une puissance énergétique à fournir à partir de la source d’énergie intermittente et à partir de la décharge du système de stockage, fondée sur la quantité d’énergie minimale à atteindre et non sur la quantité d’énergie optimale.
Ainsi, on souhaite dans ce cas atteindre à l’instant futur la quantité minimale et non la quantité optimale. De cette façon, on évite de décharger trop fortement le système de stockage.
Avantageusement, en considérant une période de temps prédéterminée, les étapes de détermination de quantité optimale d’énergie et de quantité minimale d’énergie sont mises en œuvre au début de la période de temps et par avance pour chaque instant de la période de temps, tandis que l’étape de détermination de la quantité d’énergie hypothétique est mise en œuvre à intervalles réguliers au cours de cette période de temps en considérant une quantité d’énergie passée fournie au réseau depuis le début de cette période.
Ainsi, les quantités à respecter sont définies une fois pour toutes au début de la période de temps, puis on définit au fur et à mesure les consignes de puissance à fournir au réseau en fonction de la situation vis-à-vis de ces objectifs.
De préférence, le procédé comprend, pour déterminer les quantités d’énergie minimale et optimale au début de la période de temps et pour chaque instant de cette période, une étape de construction d’une droite affine correspondant à la quantité d’énergie minimale au cours de cette période et d’une autre droite affine correspondant à la quantité d’énergie optimale au cours de cette période.
Ainsi, ces droites correspondent à ce que seraient des quantités d’énergie fournies de façon parfaitement linéaire, c’est-à-dire conformément à une puissance constante. La quantité d’énergie réellement transmise doit être située à chaque instant entre ces droites pour être proche de l’optimum et jamais en-dessous du minimum, de manière à éviter une trop forte sous-production pénalisant un exploitant, mais en tolérant une certaine sous-production pour éviter des décharges trop régulières du système de stockage.
Avantageusement, au préalable des premières étapes exposées, le procédé comprend les étapes suivantes :
- détermination de la quantité d’énergie optimale à fournir au réseau en fonction d’un engagement préalable de fourniture d’une quantité d’énergie au réseau sur une période de temps prédéterminée,
- détermination de la quantité minimale d’énergie qui devrait être atteinte en fonction d’une puissance moyenne énergétique permettant l’absence de pénalité financière de sous- fourniture d’énergie sur le réseau ou en fonction de la quantité optimale d’énergie diminuée d’une valeur prédéterminée.
Ainsi, ces quantités sont basées sur des exigences règlementaires associées à l’exploitation d’un réseau d’énergie et optimisées pour respecter ces exigences.
De préférence, le procédé comprend, pour déterminer la puissance énergétique à fournir au réseau par la source intermittente, les étapes suivantes :
- détermination d’une quantité maximale d’énergie à fournir au réseau à l’instant futur, supérieure à la quantité optimale et au-delà de laquelle le réseau serait considéré comme suralimenté ;
- détermination de la puissance énergétique à transmettre par la source intermittente fondée sur la quantité maximale d’énergie.
Ainsi, on détermine également une puissance maximale à ne pas dépasser, en particulier sur la base de données règlementaires ou techniques, et on détermine la puissance fournie par la source intermittente sur cette base. En particulier, on détermine la puissance maximale à ne pas dépasser par la source d’énergie intermittente.
Avantageusement, la quantité maximale d’énergie est également issue d’une droite affine construite au début de la période de temps.
On utilise donc trois droites affines pour déterminer les consignes de puissances à réaliser au cours de la période de temps.
De préférence, la quantité d’énergie hypothétique dépend de la puissance disponible à un instant présent issue de la source d’énergie intermittente.
Ainsi, la quantité d’énergie hypothétique est déterminée en considérant que cette puissance disponible le restera pendant un intervalle de temps prédéterminé.
On prévoit également selon l’invention une installation de fourniture d’énergie à un réseau d’énergie, comprenant une source d’énergie intermittente et un système de stockage d’énergie configurés pour mettre en œuvre le procédé décrit précédemment.
Avantageusement, l’énergie étant de l’électricité et le réseau étant un réseau électrique, la source comprend au moins un panneau photovoltaïque et/ou une éolienne et le système de stockage comprend l’un au moins des éléments suivants :
- une batterie, de préférence de type lithium-ion ;
- un volant d’inertie ;
- une super-capacité ;
- un électrolyseur ;
- une pile à combustible.
On prévoit également selon l’invention un programme d'ordinateur comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé décrit précédemment.
On prévoit également selon l’invention un support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé décrit précédemment.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig. 1] est un schéma d’une installation d’alimentation énergétique selon un mode de réalisation de l’invention ;
[Fig. 2] est un logigramme d’un procédé d’alimentation énergétique selon un mode de mise en œuvre de l’invention;
[Fig. 3] est un graphique illustrant un mode de mise en œuvre de l’invention;
[Fig. 4] est un graphique illustrant un mode de mise en œuvre de l’invention;
[Fig. 5] est un graphique illustrant un mode de mise en œuvre de l’invention; et
[Fig. 6] est un graphique illustrant un mode de mise en œuvre de l’invention.
Description détaillée
Dans la demande, on désigne par « énergie intermittente » une énergie dont la disponibilité varie au cours du temps sans possibilité de contrôle. C’est par exemple le cas de l’énergie solaire, disponible seulement en journée et en fonction de la clarté du ciel, ou de l’énergie éolienne, disponible uniquement en présence de vent. On désigne donc par « source d’énergie intermittente » un système ou dispositif apte à fournir une énergie dont les flux correspondent à la captation possible de cette énergie intermittente. Il s’agit notamment dans l’exemple qui suit de panneaux photovoltaïques, qui sont aptes à fournir une énergie électrique correspondant aux flux d’énergie solaire reçus sur les panneaux. Il peut également s’agir d’une
éolienne, apte à fournir une énergie électrique correspondant aux flux d’air reçus. Toute source d’énergie intermittente correspondant à cette définition selon l’homme du métier est envisageable.
On a représenté sur la figure 1 une installation 1 d’alimentation électrique d’un réseau électrique 2, c’est-à-dire une centrale d’alimentation électrique. On la désignera indifféremment par « installation » ou « centrale » 1. Naturellement, on a schématisé uniquement les éléments nécessaires à la compréhension de l’invention. Cette centrale 1 comprend une série de panneaux photovoltaïques 3 et une série de batteries 4 ion-lithium de stockage d’énergie électrique. Les panneaux 3 forment une source intermittente d’énergie et les batteries 4 un système de stockage d’énergie. On désignera donc les panneaux photovoltaïques 3 indifféremment par le terme de « panneaux », de « source », ou de « source d’énergie intermittente » 3, et on désignera indifféremment les batteries ion-lithium 4 par le terme de « batteries », de « système » ou de « système de stockage » 4.
Cette source 3 et ce système de stockage 4 sont connectés entre eux, la source 3 pouvant transmettre de l’énergie au système 4. Cette source 3 et ce système de stockage 4 sont également connectés au réseau électrique 2 pour y fournir de l’électricité. En d’autres termes, les panneaux 3 sont configurés pour transmettre, sur consigne, au réseau électrique 2 ou aux batteries 4, une énergie électrique correspondant au maximum aux flux d’énergie solaire pouvant être traités en temps réel par les panneaux, et les batteries 4 sont configurés pour stocker une énergie provenant de ces panneaux 3, jusqu’à une quantité d’énergie maximale prédéterminée, et pour décharger tout ou partie de cette énergie dans le réseau électrique 2, sur consigne.
Enfin, cette source 3 et ce système 4 sont connectés à des moyens informatiques 5 comprenant notamment une base de données 6 et deux modules informatiques 7 et 8. Par « module informatique », on désigne un ou plusieurs programmes d’ordinateur, enregistrés sur un support d’enregistrement non illustré et lisible par ordinateur, ayant vocation à assurer une fonctionnalité prédéterminée. Ces moyens sont connectés au réseau 2, en particulier pour recueillir les données de consommation du réseau en temps réel.
La base de données 6 contient toutes les données nécessaires au fonctionnement des modules 7 et 8, en particulier les données énergétiques, météorologiques, tarifaires, ou règlementaires qui apparaîtront adéquates à l’homme du métier, en particulier pour la mise en œuvre du procédé 100 décrit plus bas.
Le module 7 est un module de planification. Il est chargé de déterminer quelle quantité d’énergie, ou quelle puissance moyenne énergétique, est à fournir au réseau électrique 2 par la source 3 sur des périodes de temps prédéterminées, en fonction d’engagements préalables de l’exploitant de l’installation 1 mais aussi de données évolutives telles que l’énergie disponible, les tarifs de paiement de l’électricité, la consommation du réseau, etc. Il est mis en
œuvre en particulier toutes les quinze minutes de façon à optimiser l’alimentation électrique du réseau. Ce module n’est pas l’objet de cette demande.
Le module 8 est l’objet de la demande, c’est le module de consigne. Il vise à donner pour instruction, toutes les cinq secondes, à la source 3, au système de 4 ou aux deux de fournir, au réseau 2, une puissance d’énergie déterminée, ou à la source 3 de fournir au système 4 une puissance d’énergie déterminée pour la stocker. L’objectif spécifique du module 8 est de permettre de respecter un objectif de quantité d’énergie ou de puissance moyenne à fournir au réseau électrique 2, objectif déterminé par le module 7 pour différentes périodes de temps prédéterminées. La particularité de ce module 8 est qu’il vise également à éviter le plus de déchargements possibles du système de stockage 4 au sein du réseau 2, afin de diminuer l’usure du système 4, tout en tenant les objectifs de fourniture d’énergie au réseau 2. Ce module 8 et la manière dont cette optimisation est réalisée seront décrits plus en détails plus bas.
Les moyens informatiques 5 présentent également, même si elles sont non-illustrées, toutes les caractéristiques permettant le bon fonctionnement des modules 7 et 8 associées à la base de données 6, en particulier au moins un processeur, une mémoire, des moyens d’interaction avec un utilisateur pour éventuellement modifier des paramètres des modules 7 et 8, ou encore des moyens de télécommunications sur un réseau de communication.
Par « réseau électrique 2 », on désigne un réseau de transport et de distribution d’électricité. On désigne en particulier un réseau de grande ampleur géographique, c’est-à- dire s’appliquant à une ou plusieurs villes, voire à une région ou un pays. De manière générale, l’invention s’applique à tout réseau de transport et de distribution d’énergie de cette ampleur.
On va d’abord décrire le contexte de mise en œuvre du procédé 100 décrit plus bas en revenant sur certains des éléments évoqués plus haut.
Le gestionnaire du réseau électrique 2 impose à l’exploitant de l’installation 1 de lui fournir par avance les quantités d’énergie qu’il s’engage à fournir au réseau 2 au cours d’une journée, par période de dix minutes. On peut désigner ces prévisions fournies au gestionnaire par le terme « d’engagement », l’exploitant de la centrale 1 étant tenu de respecter ces prévisions. De cette manière, et en regroupant les engagements issus des diverses installations d’alimentation alimentant le réseau 2, le gestionnaire du réseau dispose d’une prévisibilité de la quantité d’énergie qui sera disponible à l’issue de chacune de ces périodes pendant toute la journée sur ce réseau. Naturellement, la durée de la période de temps d’engagement, ici de dix minutes, peut être différente.
Durant la journée de production, l’exploitant 1 s’assure de respecter ses engagements, c’est-à-dire de fournir au réseau électrique 2, sur chaque période de temps d’engagement, par le biais de la source 3 et du système de stockage 4, la quantité d’énergie engagée pour cette période. Si la quantité d’énergie qu’il fournit sur une période de temps est inférieure à la
quantité à laquelle il est engagé, il est pénalisé financièrement par le gestionnaire. Si la quantité d’énergie produite est supérieure à son engagement, il n’est pas rémunéré pour ce surplus par le gestionnaire et subit donc un manque à gagner.
Pour tenir ces engagements, le module 7 identifie, au long de la journée, comme évoqué plus haut, des objectifs de fourniture d’énergie réévalués toutes les quinze minutes, en fonction des données disponibles, en particulier de la météo en cours et des prévisions météorologiques de court-terme. À titre d’exemple, le module 7 peut déterminer qu’il est préférable de fournir moins d’énergie que prévu au réseau 2 pendant quelques minutes et stocker cette énergie dans le système 4, quitte à recevoir une légère pénalité financière pour la période d’engagement en cours, afin d’anticiper une forte indisponibilité d’énergie durant une prochaine période et donc d’éviter une pénalité financière plus lourde à ce moment-là.
En sortie, le module 7 fournit au module 8 un objectif de puissance moyenne à fournir au réseau électrique pendant des périodes de temps prédéterminées. Ces périodes de temps correspondent aux périodes d’engagement, mais peuvent alternativement correspondre à d’autres périodes de temps prédéterminées, l’objectif final étant de respecter les puissances moyennes à fournir pendant les périodes d’engagement.
Alternativement, plutôt que d’assigner une puissance moyenne, il pourrait s’agir d’une quantité d’énergie, une quantité d’énergie correspondant à une puissance fournie pendant une certaine durée. Une puissance moyenne à fournir sur une période correspond donc à une quantité d’énergie déterminée fournie pendant toute cette période.
Les données d’entrée dont dispose le module 8 sont notamment cette puissance énergétique moyenne à fournir pendant chaque période de temps ou la quantité d’énergie à fournir durant cette période, la puissance disponible issue de la source 3 à chaque instant, et l’état de la charge du système 4 à chaque instant. La donnée de sortie de ce module 8 est une consigne de fourniture d’énergie à la source 3 destinée au réseau 2 ou au système 4 (fourniture appelée dans ce cas « charge »), et une éventuelle consigne de décharge du système 4 vers le réseau 2, de manière à atteindre la puissance moyenne à fournir pendant la période prédéterminée.
On va maintenant décrire le procédé 100 mis en œuvre par le module 8, en référence aux figures 2 et suivantes. Il est mis en œuvre sur une période de temps de temps de dix minutes, de manière automatisée. Cette période de temps correspond à une période de temps d’engagement. Alternativement, elle est une période de temps différente de la période de temps d’engagement. Dans les deux cas, un objectif de puissance moyenne est assigné pour cette période de temps par le module 7. Il est à noter que cette puissance moyenne peut être négative, cela correspond à du « sous-tirage », c’est-à-dire que l’installation retire de l’électricité du réseau électrique 2. L’invention fonctionne dans les deux cas. Par commodité,
on se placera toutefois dans le cas d’une puissance moyenne positive dans les explications qui suivent, sauf mention contraire.
Par commodité, on désignera par « moyens automatisés » ou « moyens » les éléments mettant en œuvre ce procédé. Ils désignent naturellement les processeurs mémoires présentés, le ou les programmes d’ordinateur du module 8, la base de données 6 ainsi que tout élément permettant l’envoi d’une consigne à la source 3 et au système 4.
À l’étape 101 , les moyens construisent sur un diagramme, visible à la figure 3, ayant pour abscisse une durée et pour ordonnée une quantité d’énergie, une droite 11 affine représentant la quantité d’énergie optimale à fournir au réseau électrique 2 tout au long de cette période de temps. Par « quantité d’énergie optimale », on désigne la quantité d’énergie qu’il faudrait fournir à chaque instant de la période de manière parfaitement linéaire pour tenir l’objectif de puissance moyenne. En d’autres termes, il s’agit de la quantité d’énergie résultant d’une puissance constante fournie à chaque instant et permettant de tenir l’objectif assigné. Le point final 12 de la droite 11 correspond donc à la quantité d’énergie à fournir à l’issue de cette période. Ainsi, si le module 7 a identifié un objectif de puissance moyenne à fournir lors de cette période, la quantité d’énergie optimale à fournir lors de cette période correspond à cette puissance moyenne multipliée par la durée de la période, de la manière suivante :
[Math 1]
Où Epian est la quantité d’énergie optimale à avoir fourni au réseau 2 entre le début de la période et un instant précis, tfjn le dernier instant de cette période, correspondant donc à la durée totale de la période de temps, Ppian la puissance moyenne à fournir durant cette période, déterminée par le module 7. C’est l’ordonnée du point final 12.
De manière plus générale, on désigne donc par « quantité d’énergie optimale » la quantité d'énergie à fournir durant un intervalle de temps présent et durant les intervalles suivants de manière à atteindre un objectif de quantité finale fournie à la fin d'une période de temps englobant ces intervalles et des intervalles de temps antérieurs.
On ne place pas le point initial 13 de cette droite 11 à zéro. En effet, le point initial 13 de la droite 11 correspond à la puissance moyenne à fournir sur cette période multipliée par une durée de 30 secondes. L’objectif est ainsi de placer le point initial 13 à une ordonnée légèrement positive. L’effet de ce déplacement vers le haut du point initial 13 est d’inciter à l’envoi d’une consigne de puissance énergétique plus élevée que nécessaire en début de période de temps, de manière à prendre de l’avance en cas d’indisponibilité de l’énergie intermittente plus tard, par exemple en cas de passage d’un nuage. En revanche, si la puissance moyenne est négative - c’est le cas du sous-tirage -, le point initial est placé à 0. Ainsi, l’ordonnée Epian (0) de ce point initial 13 correspond à la formule suivante :
[Math 2]
plan (0) max(Pp;an * 30s, 0)
La droite 11 ainsi construite, entre le point initial et le point final, permet de disposer de la quantité d’énergie optimale qui doit être théoriquement fournie à chaque instant au réseau 2 par l’installation 1 depuis le début de la période de temps, si cette fourniture était parfaitement linéaire.
À l’étape 102, les moyens construisent une droite affine 14 représentant la quantité d’énergie dite « minimale » à fournir au réseau tout au long de cette période de temps. Par quantité « minimale », on désigne une quantité inférieure à la quantité optimale d’énergie, permettant de tolérer une part de sous-production momentanée d’énergie en prévision d’une disponibilité plus grande d’énergie issue de la source 3 ultérieurement. Pour en déterminer le point final 15, les moyens déterminent deux valeurs. D’abord, ils identifient la puissance moyenne minimale qu’il est possible de fournir au réseau électrique 2 sur cette période de temps prédéterminée sans souffrir d’une pénalité de sous-production. Pour ce faire ils se basent sur les données règlementaires issues de la base de données 6 et en déduisent la puissance moyenne d’engagement sur la période, Pann, à laquelle l’exploitant est tenu, et en soustraient une valeur représentant 5% de la puissance installée sur la centrale 1 . Là encore, la puissance installée est une valeur connue, enregistrée dans la base de données 6. Ils déterminent une deuxième valeur issue de l’objectif de puissance moyenne Ppian fournie par le module 7, dont il est soustrait là-aussi une valeur représentant 5% de la puissance électrique installée sur la centrale 1 . Les moyens comparent ces deux valeurs et en sélectionnent la plus faible. Cette dernière est multipliée par la durée de la période de temps prédéterminée, formant l’ordonnée du point final 15 de cette droite 14 correspondant à la quantité d’énergie « minimale » à fournir au réseau. Ainsi, l’ordonnée de ce point répond à la formule suivante :
[Math 3]
Où Emin est donc la quantité d’énergie minimale à avoir fourni au réseau 2 entre le début de la période et un instant précis, Psousprod est la puissance moyenne qu’il est possible de fournir au minimum sans pénalité de sous-production, et kWc est la puissance installée de la centrale 1.
Pour déterminer le point initial 16 de cette droite 14, les moyens multiplient la puissance moyenne théorique à fournir par une durée de 30 secondes, et inversent cette valeur pour la rendre négative. Le fait de placer ce point initial 16 en-dessous de 0 permet de tolérer une certaine sous-production en début de période de temps. Si la puissance moyenne à fournir issue du module 7 est négative, ce point initial est à 0.
Le point initial de cette droite répond donc à la formule suivante :
[Math 4]
Emi (0) = min(- Pplan * 30s, 0).
La droite 14 reliant le point initial 16 et le point final 15 représente donc la quantité d’énergie minimale qui doit avoir été fournie au réseau au minimum à chaque instant depuis le début de la période de temps pour rester proche de la quantité optimale tout en tolérant une sous- production momentanée.
À l’étape 103, les moyens construisent une droite affine 17 représentant la quantité d’énergie dite « maximale » à fournir au réseau tout au long de cette période de temps. Au- dessus de cette courbe, le réseau électrique 2 serait considéré comme suralimenté. Pour déterminer le point final, les moyens identifient, grâce aux données règlementaire de la base 6, la puissance maximale qu’il est possible de fournir sans pénalité de surproduction : il s’gait de la puissance moyenne d’engagement Pann à laquelle on ajoute 4 % de la puissance installée kWc. Cette valeur est multipliée par la durée de la période de temps, soit dix minutes, formant l’ordonnée du point final 18 de cette droite 17.
Ce point final 18 répond donc à la formule suivante :
[Math 5]
Où Emax est donc la quantité d’énergie maximale à fournir au réseau 2 entre le début de la période et un instant précis, et Pann + 4% * kWc est la puissance moyenne qu’il est possible de fournir au maximum au réseau 2 sans pénalité de surproduction.
Le point initial 19 de la droite 17 est déterminé en multipliant les 4% de la valeur de puissance de l’installation 1 par la durée tfjn de la période de temps et par le nombre 3, selon la formule suivante :
[Math 6]
Cette formule résulte en une valeur initiale fortement positive. Comme on le verra plus bas, cette droite 17 permet le choix d’une consigne de la puissance envoyée par la source 3 au réseau 2. En formant un point initial très positif, on tolère donc une forte production en début de période de temps pour « déclipper » les panneaux solaires, c’est-à-dire pour renoncer momentanément à toute limite de puissance des panneaux solaires. Par « déclipper », on désigne l’opération inverse de l’« écrêtage » ou « clippage » consistant à limiter la puissance des panneaux.
Les moyens ont ainsi construit les trois droites qui seront utiles à la suite du procédé.
L’ensemble des paramètres utilisés pour construire les points initiaux et finaux de ces droites, tels que les pourcentages et les durées, peuvent être modifiés par un utilisateur. Il est toutefois à noter qu’il est préférable de choisir des valeurs permettant d’obtenir les effets techniques présentés, c’est-à-dire une tolérance à la surproduction et à la sous-production en début de période de temps, notamment en vue de potentielles mauvaises conditions
météorologies, ou pour « déclipper », c’est-à-dire ne plus écrête la puissance des panneaux solaires.
Les étapes 104 et suivantes sont ensuite mises en œuvre, à partir du point d’abscisse 0, c’est-à-dire à l’instant initial de la période de temps prédéterminée, puis à intervalles réguliers, en l’espèce toutes les cinq secondes, jusqu’à la fin de la période de temps.
À l’étape 104, il s’agit de prévoir quelle serait la quantité d’énergie hypothétique future Efutur qui aura été fournie au réseau 2 depuis le début de la période de temps, à un instant futur déterminé. On place par défaut cette durée tfutur, située entre l’instant présent t et l’instant futur, à 60 secondes. Pour déterminer cette quantité d’énergie hypothétique, les moyens se fondent sur la quantité d’énergie Eres déjà fournie au réseau depuis le début de la période de temps et sur la puissance disponible aux panneaux 3 à l’instant présent t, de sorte que cette quantité hypothétique répond à la formule suivante :
[Math 7]
Où PpV représente la puissance disponible issue de la source d’énergie intermittente 3 à un instant précis, en l’espace à l’instant présent t.
Alternativement, cette quantité d’énergie hypothétique, qui pourrait être fournie au réseau 2 par l’installation 1 à un instant futur, pourrait être déterminée selon d’autres formules connues de l’homme du métier.
La durée tfutur pourrait être configurée pour être différente de 60 secondes. En l’augmentant, on limite les fluctuations de puissance injectée dans le réseau électrique 2, mais on augmente l’usage du système de stockage 4.
À l’étape 105, les moyens comparent cette valeur à la quantité d’énergie minimale associée à l’instant futur déterminé. En d’autres termes, les moyens placent le point Efutur sur le graphique et déterminent s’il est situé au-dessus ou sur la droite affine 14 à cet instant futur. Cette comparaison revient ainsi à comparer Efutur et Emin (t+tfutur).
À l’étape 106, les moyens fixent un objectif de quantité d’énergie à atteindre en fonction du résultat de cette comparaison. Ainsi, si la quantité d’énergie hypothétique Efutur est supérieure ou égale à Emin (t+tfutur), les moyens fixent comme objectif à atteindre la quantité d’énergie optimale prévue à cet instant futur, soit Epian (t+tfutur), et ce sans utiliser le système de stockage 4. Graphiquement, cela signifie que l’objectif à atteindre est la droite 11 , et ce sans décharge du système de stockage. On assigne donc à une variable que l’on nomme Eobjectif la quantité Epian (t+tfutur) , qui devra donc être atteinte uniquement au moyen de la source 3.
En revanche, si la quantité d’énergie hypothétique Efutur est inférieure à Emin (t+tfutur), c’est- à-dire si le point Efutur est situé sous la droite 14, alors les moyens assignent à la variable Eobjectif la quantité Emin (t+tfutur), autrement dit la droite 14, et autorisent la décharge des batteries 4 dans le réseau 2. Nous verrons plus bas de quelle puissance est cette décharge.
En résumé, si la quantité d’énergie hypothétique à l’instant futur est supérieure ou égale à la droite 14, les moyens assignent à l’objectif la droite 11 sans autoriser l’usage des batteries 4 pour décharger de l’énergie dans le réseau. Ce système 4 est donc économisé. En revanche, si la quantité d’énergie hypothétique à l’instant futur est inférieure à la droite 14, les moyens visent la droite 14 et ce en autorisant l’usage du système de stockage 4 pour décharger de l’énergie dans le réseau afin d’essayer atteindre, à l’instant futur, cette droite 14.
À l’étape 107, les moyens déterminent les puissances qui devraient être fournies par la source 3 et/ou le système de stockage 4 au réseau électrique 2 pour tenir l’objectif assigné, c’est-à-dire soit pour atteindre la droite 14, soit pour atteindre la droite 11.
Les moyens déterminent d’abord la puissance Pres que l’on devrait théoriquement fournir au réseau 2 à l’instant présent t en fonction de la quantité d’énergie moyenne assignée comme objectif par le module 7 et de la quantité d’énergie déjà fournie par le passé, selon la formule suivante :
[Math 8]
Ensuite, les moyens déterminent la puissance que l’on devrait théoriquement obtenir du système de stockage 4 ou au contraire stocker dans le système de stockage 4, en fonction de la puissance théorique Pres à fournir au réseau et de la puissance disponible Ppv à l’instant présent t issue de la source 3, de la façon suivante :
[Math 9]
Pbat ( = Près (0 — Ppv (
Si cette puissance est négative, cela signifie que le système de stockage 4 peut être chargé au moyen du surplus de puissance issue de la source 3. Si elle est positive, cela signifie qu’il s’agit de la puissance qu’il serait nécessaire de fournir au réseau 2 par le système de stockage 4 pour atteindre la puissance théorique en compensant une puissance insuffisante issue de la source 3.
À l’étape 108, les moyens déterminent les consignes de puissance à appliquer en fonction des puissances théoriques calculées à l’étape 107 et en fonction de l’autorisation ou non de la décharge du système de stockage dans le réseau électrique 2.
Ainsi, les moyens déterminent la puissance maximale Pmax qu’il est possible de fournir au réseau 2 d’ici l’instant futur, au moyen de la droite affine 17 dont l’ordonnée à l’instant futur est connue, c’est-à-dire au moyen de la quantité d’énergie maximale qui pourra avoir été fournie au réseau d’ici l’instant futur, et au moyen également de la quantité d’énergie Eres fournie au réseau depuis le début de la période et jusqu’à l’instant présent t. Cette puissance maximale correspond donc à la formule suivante :
[Math 10]
Ensuite, les moyens déterminent les consignes de puissance à transmettre par la source d’énergie intermittente 3 au réseau 2 ou aux batteries de stockage 4, l’éventuelle consigne de décharge du système de stockage 4 dans le réseau 2 ou l’éventuelle consigne de charge.
Tout d’abord, dans tous les cas, si Pbat(t) est négatif, c’est-à-dire que la puissance disponible à la source 3 Ppv(t) est supérieure à la puissance Pres(t) à fournir théoriquement au réseau 2, alors les moyens demandent à la source 3 de fournir la puissance énergétique correspondant à (- Pbat(t)) au système de stockage 4, qui stocke donc ce surplus d’énergie. C’est la charge des batteries 4. Il n’y a aucune décharge du système de stockage 4 dans le réseau 2. En outre, les moyens demandent à la source 3 de fournir le reste de la puissance disponible au réseau 2, dans la limite de la valeur Pmax(t) de manière à ne pas suralimenter le réseau 2.
Si Pbat(t) est positif, il existe deux cas en fonction de l’autorisation ou non de la décharge. Traitons d’abord le cas où la décharge n’a pas été autorisée à l’étape 106. Dans ce cas, le système de stockage 4 reçoit pour consigne de ne transmettre aucune puissance au réseau électrique 2. De son côté, la consigne de puissance à fournir par la source 3 au réseau 2 est limitée au maximum à Pmax(t) de manière à ne pas suralimenter le réseau 2.
Dans le cas où la décharge a été autorisée à l’étape 106, alors le système de stockage 4 reçoit pour consigne de transmettre la puissance énergétique Pbat(t), au réseau électrique 2. La source 3 reçoit pour consigne de transmettre au réseau 2 le reste de la puissance, en respectant un maximum égal à Pmax(t) - Pbat(t) de manière à ne pas suralimenter le réseau 2. Ainsi, au maximum, la puissance Pmax(t) est transmise au réseau électrique 2, une partie de cette puissance provenant des batteries 4 avec la puissance Pbat(t), une partie provenant de la source 3 avec la puissance disponible issue de cette source, limitée par la valeur maximale P max(t)-Pbat(t).
Une fois les consignes transmises, les étapes 104 à 108 sont remises en œuvre toutes les cinq secondes, jusqu’à la fin de la période de temps prédéterminée. Ainsi, toutes les cinq secondes, des consignes de puissance et de limite sont envoyées à la source 3 et éventuellement au système de stockage 4, pour alimenter le réseau électrique 2.
Naturellement, cet intervalle de cinq secondes peut être configuré pour être différent.
En fin de période de temps, lorsqu’il reste moins de 60 secondes, la durée tfutur fixée à 60 secondes est réduite seconde par seconde jusqu’à une durée minimale prédéterminée pour que les étapes 104 à 108 puissent continuer à être mises en œuvre au plus proche de la fin de cette période de temps. Plus cette durée minimale de fin de période est petite, plus on s’assure d’atteindre l’objectif de quantité d’énergie fixée pour la totalité de la période de temps, mais plus on augmente la fluctuation de puissance injectée au réseau.
Comme déjà évoqué, la période tfutur peut de manière générale être fixée à une durée différente de 60 secondes.
Les étapes 101 à 108 sont ensuite mises en œuvre pour la période prédéterminée suivante.
Nous allons maintenant revenir sur les trois cas issus des résultats de la comparaison entre Efutur et Emin (t+tfutur) en référence aux figures 4 et suivantes, sur le plan graphique.
Nous nous plaçons à un instant t quelconque au cours d’une période de temps, les droites 11 , 14 et 17 ayant été tracées pour toute cette période dès le début de cette période conformément aux étapes 101 à 103. La courbe 22 représente la quantité d’énergie fournie au réseau électrique 2 jusqu’ à cet instant présent t, depuis le début de cette période de temps. Le point 20 est le point correspondant à la quantité fournie jusqu’à cet instant t. Le point 21 représente la quantité d’énergie hypothétique à l’instant futur déterminée à l’étape 104, c’est- à-dire pour l’instant t+tfutur où tfutur est égal à 60 secondes.
A la figure 4, ce point 21 est au-dessus de la courbe 14 correspondant à la quantité d’énergie minimale à fournir au réseau 2. Les moyens effectuent donc l’assignement Eobjectit = Epian(t+ tfutur), et la décharge du système de stockage 4 n’est pas autorisée. Mais ce point 21 est également au-dessus de la droite 11 , ce qui mathématiquement signifie que Pbat(t) est négatif, la puissance disponible issue de la source 3 étant supérieure à la puissance P res (t) qui devrait théoriquement être fournie au réseau à l’instant présent. Dans ce cas, le système de stockage 4 est chargé d’énergie de puissance Pbat(t) issue de la source 3, et cette même source alimente avec le reste le réseau électrique 2, en limitant cette puissance pour ne pas dépasser la droite 17. Les flèches dessinées indiquent la consigne 24 permettant de charger les batteries 4 tout en atteignant la courbe 11 , et la consigne 25 fixe la puissance maximale à ne pas dépasser dans l’alimentation du réseau 2 pour ne pas dépasser la courbe 17.
A la figure 5, le point 21 est au-dessus de la courbe 14, de sorte que, là encore, les moyens effectuent l’association Eobjectif = Epian (t+tfutur) , et la décharge du système de stockage 4 dans le réseau 2 n’est pas autorisée. Ce point est situé en dessous de la droite 11 , de sorte qu’il n’y a pas non plus de charge du système 4. Le système de stockage 4 n’est donc ni chargé ni déchargé.
A la figure 6, le point 21 est situé en-dessous de la courbe 14. Cette fois ci, les moyens effectuent l’association Eobjectif = Emin (t+tfutur) , c’est-à-dire que les moyens visent la droite 11 correspondant à la quantité d’énergie optimale à fournir au réseau, et la décharge du système de stockage 4 dans le réseau est donc autorisée pour atteindre cet objectif. La flèche permet de voir la consigne de décharge 24 pour atteindre la droite 14.
Dans les trois cas les consignes de puissance et de limite sont mises en œuvre conformément aux étapes et formules exposées plus haut.
Il en résulte que sur une période de temps prédéterminée, la quantité d’énergie effectivement fournie au réseau électrique 2 par la source 3 et éventuellement le système de
stockage 4 forme une courbe 22 évoluant entre les droites 14 et 11 correspondant respectivement à la quantité d’énergie minimale à fournir et à la quantité d’énergie optimale, souhaitée, à fournir au réseau 2. De cette manière, plutôt que de demander au système 4 de se décharger dans le réseau électrique 2 à chaque fois que la puissance disponible issue de la source 3 n’est pas suffisante, on tolère une certaine sous-production momentanée, contrôlée en prévoyant la quantité d’énergie hypothétique qui pourrait être fournie dans le futur. On limite donc les déchargements du système de stockage tout en s’approchant au plus près de la quantité d’énergie optimale à fournir au réseau électrique sur une période prédéterminée.
Comme déjà évoqué, chaque période de temps prédéterminée peut correspondre à une période d’engagement pour laquelle l’exploitant s’est engagé à fournir une quantité d’énergie spécifique au réseau. Mais alternativement une période de temps peut également être une sous-période d’une période d’engagement ou un cumul de périodes d’engagement.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.
En particulier, il est possible d’appliquer le procédé à une installation comprenant d’autres types d’énergie intermittente, telle que l’énergie éolienne, et d’autres types de système de stockage, tels que d’autres types de batterie, un volant d’inertie, une super-capacité, un électrolyseur ou encore une pile à combustible.
Claims
[Revendication 1] Procédé (100) d’alimentation énergétique d’un réseau d’énergie (2), comprenant, pour alimenter le réseau (2) au moyen d’une source d’énergie intermittente (3) et d’un système de stockage d’énergie (4), les étapes suivantes :
- détermination (101) d’une quantité optimale d’énergie à fournir au réseau d’ici un instant futur prédéterminé;
- détermination (102) d’une quantité minimale d’énergie qui devrait être fournie au réseau d’ici l’instant futur, cette quantité minimale étant inférieure à la quantité optimale d’énergie ;
- prévision (104) d’une quantité d’énergie hypothétique qui pourrait être fournie au réseau d’ici un instant futur en faisant l’hypothèse d’une absence de décharge dans le réseau, d’ici cet instant futur, d’énergie issue du système de stockage ;
- dans le cas où la quantité d’énergie hypothétique déterminée est supérieure ou égale à la quantité d’énergie minimale à fournir au réseau à l’instant futur, fourniture (108) d'énergie dans le réseau uniquement à partir de la source d'énergie intermittente, sans décharge du système de stockage.
[Revendication 2] Procédé (100) selon la revendication précédente, comprenant, avant l’étape de fourniture (108) d’énergie dans le réseau, une étape de détermination d’une puissance énergétique à fournir par la source intermittente, fondée sur la quantité d’énergie optimale et non sur la quantité d’énergie minimale.
[Revendication 3] Procédé (100) selon la revendication 1 , comprenant, dans le cas où la quantité d’énergie hypothétique est inférieure à la quantité d’énergie minimale à fournir au réseau à l’instant futur, une étape de fourniture (108), dans le réseau, d’énergie à partir de la source d’énergie intermittente et d’énergie à partir du système de stockage en déchargeant le système de stockage.
[Revendication 4] Procédé (100) selon la revendication précédente, comprenant, avant l’étape de fourniture d’énergie, une étape détermination (108) d’une puissance énergétique à fournir à partir de la source d’énergie
intermittente et à partir de la décharge du système de stockage, fondée sur la quantité d’énergie minimale à atteindre et non sur la quantité d’énergie optimale.
[Revendication 5] Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, en considérant une période de temps prédéterminée, les étapes de détermination (101) de quantité optimale d’énergie et de quantité minimale (102) d’énergie sont mises en œuvre au début de la période de temps et par avance pour chaque instant de la période de temps, tandis que l’étape de détermination de la quantité d’énergie hypothétique (104) est mise en œuvre à intervalles réguliers au cours de cette période de temps en considérant une quantité d’énergie passée fournie au réseau depuis le début de cette période.
[Revendication 6] Procédé (100) selon la revendication précédente, comprenant, pour déterminer (101 , 102) les quantités d’énergie minimale et optimale au début de la période de temps et pour chaque instant de cette période, une étape de construction d’une droite affine correspondant à la quantité d’énergie minimale au cours de cette période et d’une autre droite affine correspondant à la quantité d’énergie optimale au cours de cette période.
[Revendication 7] Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant, au préalable des étapes de la revendication 1 , les étapes suivantes :
- détermination (101 ) de la quantité d’énergie optimale à fournir au réseau en fonction d’un engagement préalable de fourniture d’une quantité d’énergie au réseau sur une période de temps prédéterminée,
- détermination (102) de la quantité minimale d’énergie qui devrait être atteinte en fonction d’une puissance moyenne énergétique permettant l’absence de pénalité financière de sous-fourniture d’énergie sur le réseau ou en fonction de la quantité optimale d’énergie diminuée d’une valeur prédéterminée.
[Revendication 8] Procédé (100) selon au moins la revendication 2 ou 4, comprenant, pour déterminer la puissance énergétique à fournir au réseau par la source intermittente, les étapes suivantes :
- détermination (103) d’une quantité maximale d’énergie à fournir au réseau à l’instant futur, supérieure à la quantité optimale et au-delà de laquelle le réseau serait considéré comme suralimenté ;
- détermination (108) de la puissance énergétique à transmettre par la source intermittente fondée sur la quantité maximale d’énergie.
[Revendication 9] Procédé (100) selon au moins les revendications 6 et 8, dans lequel la quantité maximale d’énergie est également issue d’une droite affine construite au début de la période de temps.
[Revendication 10] Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la quantité d’énergie hypothétique dépend de la puissance disponible à un instant présent issue de la source d’énergie intermittente.
[Revendication 11] Installation (1) de fourniture d’énergie à un réseau d’énergie, comprenant une source d’énergie intermittente (3) et un système de stockage d’énergie (4) configurés pour mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
[Revendication 12] Installation (1) selon la revendication précédente, dans lequel l’énergie étant de l’électricité et le réseau (2) étant un réseau électrique, la source (3) comprend au moins un panneau photovoltaïque et/ou une éolienne et le système de stockage (4) comprend l’un au moins des éléments suivants :
- une batterie, de préférence de type lithium-ion ;
- un volant d’inertie
- une super-capacité ;
- un électrolyseur ;
- une pile à combustible.
[Revendication 13] Programme d'ordinateur (8) comprenant des instructions qui, lorsque le programme est exécuté par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
[Revendication 14] Support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent
celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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2023
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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