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Consommations et coûts associés à l’exploitation du réseau de froid urbain

La performance énergétique du réseau de froid urbain se définit comme le rapport entre l’énergie frigorifique livrée aux sous-stations et l’énergie élec-trique consommée dans les centrales de production. Elle est fonction du ren-dement des équipements énergétiques (groupes frigorifiques à compresseur centrifuge, pompes de circulation et ventilateurs des tours aéroréfrigérantes), du rendement du réseau de distribution (déperditions thermiques et dissipa-tion des pertes de charge en chaleur), de la demande (répartition spatio-tem-porelle et fonctionnement du circuit secondaire) et de la conduite mise en œuvre par l’opérateur de conduite. Ces sensibilités sont analysées et intégrées aux modèles de composants dans la section 3.
Les coûts associés à l’exploitation du réseau – critères de la fonction de coût de l’optimiseur – sont, au premier ordre, proportionnels aux consom-mations d’électricité et d’eau. L’analyse préliminaire de ces postes de consom-mation permet de s’approprier quelques ordres de grandeurs utiles au travail de modélisation. Les termes de maintenance et de taxe sont de second ordre et ne sont pas traités dans cette première approche. Les hypothèses utilisées sont décrites dans le Tableau 7.
Les valeurs sont cohérentes avec les moyennes relevées sur le cas d’étude du réseau de froid de Paris-Bercy, avec une estimation des perfor-mances attendues de la centrale à TAR, mise en service récemment. L’analyse peut être généralisée aux réseaux de froid de taille moyenne équipés de deux centrales de production fonctionnant principalement avec des machines fri-gorifiques électriques à compression de vapeur. La conduite du réseau se tra-duit explicitement par l’utilisation des centrales répartition de production) et par l’EER de chaque centrale.
Une description des flux énergétiques est présentée sur la Figure 14. Les flux sont calculés à partir des hypothèses – utilisées comme facteurs de conversion chaud/froid et clé de répartition des consommations électriques – et de bilans de conservation de l’énergie à chaque nœud pour un volume ar- bitraire MWh d’énergie frigorifique livrée. Le périmètre du système étu-dié est délimité par l’interface aux milieux extérieurs alimentation électrique, bâtiments climatisés, environnement de pose des tuyaux, source de refroidis-sement des condenseurs). Les déperditions thermiques sont entendues comme les flux de chaleur entre le milieu extérieur et l’eau glacée des tuyaux. Dans cette approche, les pompes sont supposées sans pertes et l’énergie de pompage se dissipe en chaleur dans la boucle d’eau associée. Il faut alors no-ter le rôle des pompes sur la boucle d’eau glacée : plus de besoins en pompage impliquent plus de consommations électriques à la fois sur les pompes et sur les groupes frigorifiques.
Le principal poste de consommation électrique d’un réseau de froid urbain de taille moyenne et équipé de deux centrales de production (refroi-dissement par eau de rivière et par tours aéroréfrigérantes) est le parc de groupes frigorifiques. L’effort de modélisation et de paramétrage est à porter en priorité sur ces équipements afin d’identifier des stratégies de pilotage pour optimiser leur utilisation. La consommation électrique des pompes et la consommation d’eau des TAR sont des postes de coûts moins importants mais significatifs, justifiant l’usage de modèles adaptés. Les pertes du réseau, dé-perditions thermiques des tuyaux et dissipation des pertes de charge en cha-leur, induisent une production d’énergie frigorifique supplémentaire. Un mo-dèle de réseau (tuyaux et sous-stations) est alors nécessaire pour explorer les stratégies de gestion de la distribution minimisant ces pertes. Il découle de ces considérations les questions suivantes : Quel est le niveau de représenta-tion adaptée au calcul de ces consommations électriques et de ces coûts ? En particulier, quels domaines physiques sont mis en jeu ?

Domaines physiques

Les phénomènes qui régissent le comportement d’un réseau de froid appar-tiennent aux domaines de la physique et de la régulation. D’un côté, la phy-sique est décrite par des variables continues selon les lois de la nature. De l’autre, la régulation est composée de décisions, automatiques ou humaines, échantillonnées en temps et en valeur. Les principaux domaines physiques mis en jeu dans un réseau de froid urbain sont classés par sous-système sur le Tableau 8. Des hypothèses simplificatrices peuvent dorénavant être tirées des fonctionnalités attendues du modèle.
Premièrement, une modélisation physique détaillée des groupes fri-gorifiques avec compresseur centrifuge, n’est pas adaptée à la simulation nu-mérique d’un système avec des contraintes de temps de calcul (Lee, Liao, et Lu 2012). La représentation des écoulements diphasiques en fluide compres-sible peut donc être exclue du périmètre du modèle. Deuxièmement, la repré-sentation des pertes électriques et mécaniques des systèmes moteurs des pompes et des compresseurs (dissipées en chaleur dans le fluide ou dans l’air ambiant) est questionnée. Ces pertes sont causées par les pertes des variateurs de vitesse à vitesse non-nominale, des pertes au niveau du stator et du rotor (pertes fer) et des pertes par frottement (Lu, Habetler, et Harley 2006). Ces pertes sont faibles pour les moteurs asynchrones de cette gamme de puissance (100 – 2000 kW), excepté pour les très faibles charges pour lesquelles les ren-dements se dégradent. Dès lors, la représentation de ces pertes par corréla-tions empiriques (par équipement, voir Figure 17 ou globalement n’a pas d’impact significatif sur la précision du modèle.
L’hypothèse de modélisation en -D de l’écoulement dans les tuyaux a été vérifiée par (Gabrielaitiene, Bøhm, et Sunden 2008), dans le cas analogue des réseaux de chaleur. Ce résultat simplifie la modélisation thermo-hydrau-lique au cas 1-D, monophasique et incompressible. Les transferts thermiques (conduction et convection forcée) entre deux fluides ou entre un fluide et un milieu extérieur sont à intégrer dans le modèle pour la représentation, respec-tivement, de l’efficacité des échangeurs échangeurs à plaques et tours aéro-réfrigérantes) et des déperditions thermiques. Un calcul de transfert de masse est également nécessaire pour le calcul de la consommation d’eau des tours aéroréfrigérantes, qui représente plus de % des coûts d’exploitation du ré-seau (cf. Figure 16).L’encrassement dans les tuyaux du réseau de distribution et dans les filtres en entrée de sous-station dépendent des vitesses dans le réseau (fonc-tion au premier ordre de la demande aux postes de livraison), la qualité de l’eau étant contrôlée. L’impact se situe sur les consommations des pompes de distribution. La croissance de l’encrassement dans les échangeurs à eau de rivière dépend plus fortement de la conduite du sous-système de refroidisse-ment des condenseurs et de la qualité de l’eau de rivière aspirée. L’impact se situe ici à la fois sur les pompes de refroidissement et sur les groupes frigori-fiques (transfert thermique dégradé). Les différentes formes d’encrassement des matériels sont à représenter dans le modèle, a minima via un paramètre agrégé. Le développement biologique (sous forme de bactéries – BSR dans le réseau et legionella pneumophila dans les circuits condenseurs – et de bio-film dans les échangeurs) est complexe à modéliser et de second ordre pour l’inté-rêt de l’aide à la conduite court-terme.

Table des matières

LISTES DES FIGURES
LISTES DES TABLEAUX
NOMENCLATURE
CHAPITRE 1 CONTEXTE ET ENJEUX DE L’AIDE À LA CONDUITE RÉSEAUX DE FROID URBAIN
1 Introduction
1.1 Contexte énergétique
1.2 Contexte des réseaux de froid
1.3 Contexte du réseau de froid de Paris
2 Présentation du système énergétique : le réseau de froid urbain
2.1 Principe de fonctionnement du réseau de froid urbain
2.2 Points forts et points faibles des réseaux de froid urbain
3 Caractéristiques de l’aide à la conduite des réseaux de froid urbain
3.1 Le réseau de froid : un système dynamique
3.2 L’aide à la conduite du réseau
4 Choix des modèles d’aide à la conduite des réseaux de froid urbain..
4.1 Intérêt de la modélisation pour l’aide à la conduite
4.2 Classification des modèles existants et choix
4.3 Evaluation des modèles existants
5 Conclusion : organisation du manuscrit
CHAPITRE 2 MODÉLISATION DU RÉSEAU DE FROID URBAIN
1 Introduction
2 Phénomènes à modéliser pour l’aide à la conduite du réseau de froid urbain
2.1 Consommations et coûts associés à l’exploitation du réseau de froid urbain
2.2 Domaines physiques
2.3 Caractérisation des dynamiques d’un réseau de froid
3 Modélisation des composants physiques du réseau de froid urbain
3.1 Équations de conservation pour la modélisation thermo-hydraulique
3.2 Groupes frigorifiques positifs avec compresseur centrifuge
3.3 Pompes centrifuges à vitesse variable
3.4 Échangeurs de chaleur eau/eau à contre-courant
3.5 Tours aéroréfrigérantes ouvertes avec ventilateurs
3.6 Tuyaux
3.7 Sous-stations
4 Construction du modèle de simulation du réseau de froid urbain
4.1 Choix d’un outil adapté pour la construction et la simulation du modèle
4.2 Modèle de simulation du réseau de froid urbain
4.3 Retour d’expérience concernant la simulation du modèle
5 Conclusion
CHAPITRE 3 VALIDATION DU MODÈLE DE SIMULATION DU RÉSEAU DE FROID URBAIN
1 Introduction
2 Méthodologie de validation
2.1 Note préliminaire pour la lecture des graphiques
2.2 Processus de validation
2.3 Caractéristiques des mesures disponibles
2.4 Indicateurs statistiques pour évaluer la précision du modèle
3 Paramétrage du modèle
3.1 Caractéristiques des paramètres disponibles
3.2 Estimation des paramètres manquants
3.3 Discussion sur le niveau de détail du modèle de réseau
4 Résultats de validation
4.1 Résultats sur le réseau
4.2 Résultats sur la centrale de production à eau de Seine
4.3 Résultats sur le système
5 Conclusion
CHAPITRE 4 ANALYSE DES PERFORMANCES DU RÉSEAU DE FROID URBAIN À L’AIDE DU MODÈLE
1 Introduction
2 Méthodologie : du modèle validé sur historique au modèle adapté à la simulation
prévisionnelle
2.1 Point de rappel sur le modèle validé
2.2 Régulation en boucle fermée de la centrale de production refroidie par eau de et à pression différentielle imposée
2.3 Régulation de la centrale de production refroidie par tours aéroréfrigérantes débit imposé
3 Analyse des performances du réseau de froid urbain
3.1 Calcul du bilan énergétique sur une simulation de référence
3.2 Évaluation de l’impact énergétique des températures de retour des sous-stations
de la température de départ de la centrale de production
3.3 Évaluation de l’impact énergétique de l’engagement d’une deuxième centrale
4 Conclusion
CHAPITRE 5 CONDUITE OPTIMISÉE DU RÉSEAU DE FROID URBAIN À L’AIDE DU MODÈLE
1 Introduction
2 Méthodologie : de la spécification du modèle d’aide à la conduite des réseaux froid à la stratégie de résolution du problème d’optimisation associé
2.1 Formulation du problème
2.2 Classification du problème, algorithmes et outils associés
2.3 Stratégie de résolution du problème
3 Optimisation des centrales de production
3.1 Répartition de la puissance entre groupes frigorifiques au sein d’une centrale
3.2 Réglage de la température de consigne de tours aéroréfrigérantes ouvert
3.3 Modélisation en régime permanent des centrales de production avec optimisation des consignes locales et vérification des contraintes locales
4 Optimisation du réseau de froid urbain
4.1 Minimisation de la pression différentielle du réseau
4.2 Répartition de la puissance entre plusieurs centrales
4.3 Évaluation des gains apportés par les améliorations de la conduite
5 Conclusion
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
1 Conclusions
2 Perspectives
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
1 Validation du modèle de simulation du réseau de froid urbain
1.1 Estimation des mesures manquantes
1.2 Graphiques de synthèse : mesures et simulations
2 Conduite optimisée du réseau de froid urbain à l’aide du modèle
2.1 Évaluation de l’impact du critère d’optimisation et du niveau de la taxe EDS
2.2 Utilisation du modèle d’optimisation de la répartition entre centrales à partir prévisions

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