Le 15/11/2023 par come_bissuel :
Laboratoire d'accueil : G-SCOP Entreprise partenaire : EDF R&D
Description du sujet de stage :
Les réseaux de chaleur et de froid permettent de satisfaire des besoins en chauffage, eau chaude sanitaire et climatisation des habitants, commerces et industries d'une ville ou d'un quartier. Ils permettent une réduction des coûts d'investissement et d'opération par rapport à l'utilisation de moyens de chauffage et refroidissement individuels ainsi qu'une réduction des émissions des gaz à effet de serre en faisant appel à des moyens de production moins carbonés. Ces systèmes peuvent ainsi intégrer différentes sources d'énergie (solaire, pompes à chaleur, réseau électrique...) avec des caractéristiques techniques et économiques variées (intermittence, variabilité des prix...). Un pilotage optimisé est alors nécessaire pour tirer pleinement parti des installations en anticipant les demandes.
Ce pilotage nécessite une représentation assez fine du système pour prendre en compte les contraintes techniques et opérationnelles : il faut représenter d'une part les grandeurs physiques telles que les débits et températures de l'eau en différents points de la boucle (les équations sous-jacentes étant non-linéaires et non-convexes), et d'autre part les décisions de pilotage impliquant par exemple des coûts de démarrage ou des puissances minimales (se traduisant en variables entières).
Il existe tout un panorama de méthodes de résolution selon les échelles temporelles et spatiales considérées et les aspects techniques pris en compte [1]. Pour des horizons courts, le réalisme physique doit être conservé. Dans ce cas, la modélisation en programmation non-linéaire en nombres entiers (PNLNE) est souvent utilisée pour des problèmes simples proches de ceux qui nous intéressent [2] (réseau de chaleur et froid avec stockage), mais avec des simplifications fortes pour que le problème soit traitable en temps raisonnable.
Un autre aspect du problème concerne les ``services systèmes" : il s'agit d'un ensemble de mécanismes permettant d'assurer l'équilibre global du réseau électrique en ajustant production et consommation entre tous les acteurs : on peut alors se porter volontaire, contre rétribution, pour fournir de l'énergie ou au contraire effacer une partie de sa demande, selon les besoins. La participation des réseaux de chaleur et de froid aux services systèmes électriques présente un intérêt certain grâce à l'inertie du réseau, ou grâce à des stocks d'eau [3] (on pourra par exemple décaler dans le temps un stockage ou déstockage pour fournir ou absorber de l'énergie). Cependant, le pilotage optimal devient beaucoup plus complexe car la réalisation effective des services systèmes est incertaine. Des travaux existent sur des optimisations en deux étapes, la première pour satisfaire la demande en chaleur et froid, et la deuxième pour prendre en compte les services systèmes, si cela est possible[4]. Toutefois, il semblerait qu'il n'y ait pas encore eu de publications sur une optimisation complète intégrant toutes ces spécificités.
Objectifs du stage :
Étudier des modèles d'optimisation intégrant les aspects techniques et opérationnels d'un réseau de chaleur et de froid pour le pilotage journalier comprenant du stockage et différents types de services systèmes. Ces modèles seront résolus par différents solveurs de PNLNE pour comparer les performances de résolution. Dans un contexte opérationnel où EDF souhaite avoir des résultats en quelques minutes, un enjeu est de trouver un bon compromis entre la qualité (finesse) du modèle de pilotage et la performance de résolution. Nous pourrons repartir de la modélisation en PNLNE réalisé par EDF, et tester les modèles sur un cas d'étude basé sur un système réel à la Seyne-sur-Mer avec une boucle d'eau tempérée, des pompes, et un ensemble de pompes à chaleur et groupes froids en sous-stations.
Pré-requis :
Étudiant·e en master en recherche opérationnelle ou école d'ingénieur (ou équivalent).
Compétences en modélisation, en programmation linéaire et non-linéaire en nombres entiers, en programmation informatique en Python.
Des connaissances en énergie sont souhaitables mais non obligatoires.
Candidature :
Pour candidater, merci d?envoyer les documents suivants aux deux contacts :
? CV
? lettre de motivation, 1 page max.
? relevé de notes du master M1 et de l?année courante
Contacts :
siao.phouratsamay@grenoble-inp.fr, enseignante-chercheuse, Grenoble INP Génie industriel / G-SCOP
come.bissuel@edf.fr, ingénieur chercheur, EDF R&D
References :
[1] Etienne Cuisinier et al. "Techno-economic planning of local energy systems through optimization models: a survey of current methods". In: International Journal of Energy Research 45.4 (2021), pp. 4888?4931. doi: 10.1002/er.6208.
[2] Na Deng et al. "A MINLP model of optimal scheduling for a district heating and cooling system: A case study of an energy station in Tianjin". In: Energy 141 (2017), pp. 1750?1763. doi: 10.1016/j.energy.2017.10.130.
[3] Hessam Golmohamadi et al. "Integration of flexibility potentials of district heating systems into electricity markets: A review". In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 159 (2022), p. 112200. doi: 10.1016/j.rser.2022.112200.
[4] Nima Javanshir et al. "Operation of district heat network in electricity and balancing markets with the power-to-heat sector coupling". In: Energy 266 (2023), p. 126423. doi: 10.1016/j.energy.2022.126423.
