Aperçu
Le plan de l'Allemagne est de passer complètement du charbon et du nucléaire aux énergies renouvelables. L'objectif est de réduire les émissions de gaz à effet de serre de 55 % en 2030 par rapport à 1990. Aujourd'hui, une énorme quantité d'énergies renouvelables solaires et éoliennes est déjà installée, mais l'Allemagne veut étendre l'utilisation des énergies renouvelables jusqu'en 2030. Le ministère régional de l'Environnement, de la Protection du climat et du Secteur de l'énergie du Bade-Wurtemberg, l'Institut européen de recherche sur l'énergie (EIFER) et ses partenaires ont travaillé ensemble à l'amélioration de l'efficacité des ressources et de la transition énergétique pour les quartiers hautement efficaces et durables en Allemagne.
Problème
Le principal problème était de savoir comment intégrer les énergies renouvelables fluctuables dans le système. L'électricité doit immédiatement couvrir la demande quotidienne. Il pouvait être stocké dans des batteries, mais cette méthode était assez coûteuse pour l'énergie nécessaire à l'ensemble du quartier ou de la ville. C'est pourquoi, dans le cadre de ce projet, EIFER a suivi l'approche consistant à utiliser les dispositifs électriques existants dans leur flexibilité pour mieux adapter la demande aux énergies renouvelables fluctuantes. Cela signifie, par exemple, déplacer des charges d'appareils électriques qui fonctionneraient lorsqu'il y a du soleil et du vent.
Le coût de la flexibilité serait bien inférieur à celui de l'installation de batteries supplémentaires. Ainsi, ils devaient activer autant de flexibilité que possible au lieu d'utiliser les piles.
La gestion décentralisée de l'énergie est assez prévisible, mais actuellement, elle se compose de nombreuses technologies, d'énergies renouvelables, ainsi que de nouveaux consommateurs (par exemple, les véhicules électriques). Cela a changé la façon dont le système a été géré, y compris les ressources de production, le stockage distribué ainsi que les charges flexibles, par exemple, les appareils qui pourraient modifier la consommation d'énergie dans le temps (par exemple, les appareils ménagers).
Solution
EIFER a travaillé sur un véritable démonstrateur énergétique d'un quartier de 10 bâtiments comprenant environ 25 ménages dans lequel EIFER mettait en place un système de gestion de l'énergie décentralisé. En parallèle, ils ont construit un jumeau numérique qui pourrait être comparé au démonstrateur réel.
EIFER a montré les avantages de ce jumeau numérique, une représentation virtuelle du système réel. Il a accompagné le projet à travers différentes phases et l'a enrichi tout au long de son cycle de vie. Le jumeau numérique a également servi de référentiel de données pour les informations statiques et dynamiques, par exemple pour différents scénarios d'exploitation.
Le démonstrateur énergétique était un modèle de simulation très détaillé basé sur le comportement des agents qui cartographiait et connectait les composants individuels de la centrale, de la production, du stockage et de la demande pour les secteurs de l'électricité et de la chaleur.
La propriété Allensbach a été choisie pour illustrer la démonstration virtuelle à l'aide d'un modèle de simulation multiméthode. Ce modèle a remplacé 140 appareils réels pour les tests. La résolution de 1 seconde a permis de tester le système de gestion de l'énergie en temps réel et dans la boucle matérielle. Il représentait les flux thermiques et électriques à différents niveaux (électroménager, ménage, bâtiment et propriété) et leurs interactions.
Cet exemple de ménage comprenait différentes parties qui ont été modélisées en tant qu'agents individuels. Il y avait des flux électriques en jaune et des flux thermiques en rouge. Il y avait les contrôleurs qui permettaient des flexibilités de demande pour déplacer la consommation de la pompe à chaleur aux bons moments avec l'algorithme autonome. Et cela a été connecté avec un indicateur d'état du réseau qui provenait du point de connexion au réseau. Les agents ont reçu les informations de l'indicateur d'état de la grille.
AnyLogic était le noyau de la simulation. Les entrées ont été stockées dans des fichiers Excel et dans la base de données AnyLogic. EIFER a utilisé AnyLogic Cloud pour la visualisation. Les sorties peuvent également être exportées vers Excel pour permettre aux non-modélisateurs d'analyser les données.
EIFER a utilisé une approche multiméthode comprenant la modélisation d'événements discrets et la dynamique du système en raison de la complexité du système. De plus, ils ont utilisé des modèles basés sur les données. AnyLogic a permis la connectivité avec différents appareils. Enfin, AnyLogic Cloud a été utilisé pour les expérimentations et l'évaluation.
Résultats
Ce système a montré une augmentation du taux d'autoconsommation de 55% à 75%. Dans le même temps, il y a eu une réduction de pointe de puissance. Si nous incluons les véhicules électriques, il y a une réduction énorme de ce pic parce que les gens ne les chargent pas tous en même temps et décalent la charge au fil du temps.
L'augmentation du taux d'autoconsommation a conduit à la réduction des coûts d'exploitation du système. Cela s'est traduit par une baisse du coût de l'électricité jusqu'à 5€ct/kWh pour les utilisateurs allemands. Le tarif étant de 30€ct/kWh avant les crises énergétiques, les économies sont de près de 20%. En raison des crises énergétiques, les tarifs de l'électricité avaient beaucoup augmenté, mais les économies devraient augmenter proportionnellement.
Quant aux appareils, ils fonctionnent généralement lorsqu'ils sont allumés. Si les gens veulent que leur vaisselle soit lavée le matin, la fenêtre d'opération est d'une nuit entière. Les lave-vaisselles des différentes maisons ne fonctionneront pas en même temps, ce qui aplatira la courbe d'électricité dans son ensemble.
La simulation a étudié comment la proportion d'énergie produite et utilisée localement peut être augmentée en contrôlant intelligemment la production et la consommation d'électricité et de chaleur.
À l'avenir, EIFER prévoit d'utiliser davantage AnyLogic Cloud pour ce type de projets. Pour poursuivre le développement d'un jumeau numérique interconnecté, EIFER souhaite ajouter de nouvelles fonctions telles que la relecture de scénarios historiques réels dans le monde virtuel, le contrôle prédictif, l'optimisation et les algorithmes d'apprentissage.
L'étude de cas a été présentée par Enrique Kremers, de l'EIFER, lors de la conférence AnyLogic 2022.
Les diapositives sont disponibles au format PDF.
