Brevet FR3016248A1 — publié le 20150710

La présente invention concerne le domaine des réseaux publics d'électricité. Il concerne plus particulièrement un dispositif de partage de l'électricité stockée et produite par différents moyens, allant des centrales électriques aux panneaux solaires ou autres sources d'énergie installée chez des particuliers, pour l'optimisation de la conduite des moyens de production et de la consommation domestique. Les réseaux publics d'électricité distribuent l'électricité produite dans des centrales de production d'électricité à des particuliers. Certains particuliers qui ne sont pas raccordés au réseau produisent leur propre électricité, par des panneaux solaires, éoliennes, ou génératrices au diesel. Ces installations comprennent alors fréquemment des batteries de stockage d'électricité, pour mettre à disposition de l'électricité de façon continue, les panneaux solaires ne produisant pas d'électricité la nuit, ni les éoliennes quand il n'y a pas de vent. Depuis quelques années, il existe la possibilité, tout en étant raccordé au réseau, de produire de l'électricité par des panneaux solaires, éoliennes et autres sources d'énergie utilisables à faible échelle. Cette électricité produite est alors réinjectée dans le réseau, et vendue au gestionnaire en étant comptabilisée par un compteur séparé du compteur de consommation. Dans certains cas, le compteur fonctionne dans les deux sens, cette électricité produite est retranchée à l'électricité fournie, et le particulier ne paie que la différence entre les deux. Plus récemment, des compteurs à enregistrement ont été 30 proposés, permettant d'établir un profil de consommation, pour aider l'utilisateur à choisir l'abonnement le mieux adapté pour lui et adapter son profil de consommation. Néanmoins cela présente d'importants inconvénients, puisque en particulier la production d'électricité de chaque particulier 35 est autonome ; la collectivité ne profite pas de ces moyens de production, pour par exemple réduire les pics de production rendus nécessaires par les pics de consommation. De plus, le particulier lui-même n'a aucun moyen d'optimiser sa production : quand son installation produit de l'électricité - de jour pour les panneaux solaires, par vent pour les éoliennes - il l'envoie sur le réseau, sans se soucier ni des besoins du réseau, ni de ses propres besoins. Il existe donc un besoin de donner, autant au gestionnaire du réseau qu'aux particuliers, un outil leur permettant d'optimiser les divers moyens à leur disposition. La présente invention a pour but de pallier au moins en partie à ces inconvénients. A cet effet elle propose un boîtier configurable comprenant une entrée/sortie réseau de courant alternatif, destinée à être connectée au réseau public d'électricité, une sortie consommation de courant alternatif destinée à être connectée à l'installation électrique d'un logement pour alimenter divers appareils électriques. Ce boîtier est particulier en ce qu'il comporte en outre une interface de communication, une entrée énergie de courant alternatif, destinée à être connectée à au moins un moyen de production individuel d'électricité, un module de communication et de calcul, comprenant des moyens de mesure pour mesurer les courants passant par les diverses entrées et sorties, un moyen de réception pour recevoir des informations d'un réseau de communication externe, et un émetteur d'informations à destination dudit réseau de communication externe et comprenant en outre des moyens agencés pour recevoir des informations du réseau de communication externe par ledit moyen de réception, et d'en déduire une configuration entre les consommateurs et les producteurs à un moment donné et éventuellement un ordre de marche ou d'arrêt à destination dudit moyen de production individuel d'électricité. Grâce à ces dispositions, il devient possible de donner des ordres de configurations permettant de connecter spécifiquement les producteurs aux consommateurs et éventuellement de marche ou 35 d'arrêt aux moyens de production selon un ensemble d'informations venant soit de l'utilisateur du logement, soit de la collectivité. Selon d'autres caractéristiques ledit boîtier peut comprendre en outre une 5 entrée/sortie stockage de courant alternatif destinée à être connectée à un moyen de stockage de courant électrique, le cas échéant par l'intermédiaire d'un redresseur/onduleur, et ledit module de communication et de calcul est agencé pour déduire desdites informations un ordre de charge, de décharge ou de 10 déconnexion à destination dudit moyen de stockage. Une telle disposition permet en outre de donner des ordres de charge, décharge ou déconnexion audit moyen de stockage, selon un ensemble d'informations venant soit de l'utilisateur du logement, soit de la collectivité. 15 Ledit boîtier peut suivant des instructions données par le gestionnaire de réseau (moyen de communication), l'utilisateur ou le calculateur se configurer de façon à connecter de toutes les façons possibles les moyens de production aux consommateurs. Par exemple, et à titre 20 d'illustration, o Le réseau peut être connecté à la consommation interne pendant que les moyens de production rechargent la batterie o Le réseau peut charger la batterie pendant que les 25 moyens de production alimentent la consommation o La batterie soutient le réseau pendant que les moyens de production alimentent la consommation o Le réseau est déconnecté pendant que la batterie alimente la consommation 30 La présente invention concerne également une installation électrique d'un logement comprenant une connexion au réseau public d'électricité, un appareil destiné à consommer un courant électrique, ladite installation comprenant en outre un moyen de production individuel d'électricité, associé le cas échéant à un 35 onduleur, et un boîtier selon l'invention. Une telle installation électrique permet une optimisation de l'utilisation du moyen de production individuel d'électricité à la fois pour l'utilisateur, et pour la collectivité. Selon d'autres caractéristiques : - ladite installation peut comprendre en outre un moyen de stockage de courant électrique, associé à un onduleur/redresseur, conférant ainsi une souplesse supplémentaire d'utilisation des moyens individuels, en permettant par exemple de faire fonctionner le moyen de production individuel d'électricité pour charger le moyen de stockage, d'utiliser le moyen de stockage pour alimenter le réseau, ... - ladite installation électrique peut comprendre un onduleur et éventuellement un filtre disposé entre chaque sortie dudit onduleur et la phase du réseau à laquelle il est connecté, 15 permettant ainsi d'éviter des pics de courant parasites dans ladite installation électrique, - ledit moyen de production individuel d'électricité peut être un panneau solaire ou une éolienne, qui sont des moyens de production à la fois durables, propres et accessibles 20 aux particuliers. La présente invention concerne enfin un système de gestion d'un réseau public d'électricité raccordé à une centrale de production d'électricité et à une pluralité de logements, comprenant un ordinateur de gestion du réseau public 25 d'électricité. Ce système de gestion est particulier en ce que au moins un des logements comprend une installation électrique selon l'invention, ledit ordinateur comportant un logiciel apte à communiquer avec les inventions installés dans les logements. L'avantage apporté par la présente invention réside 30 principalement en ce qu'elle confère une bien plus grande variété de possibilités à la fois à l'utilisateur d'installations selon l'invention qu'à l'opérateur de réseau selon l'invention, ce qui permet par mise en commun des moyens individuels de production et de stockage de soutenir le réseau 35 dans ses périodes de forte charge et dans ses périodes de sous charge permettant d'optimiser sa conduite et son dimensionnement. De plus l'invention permet de faire fonctionner des moyens de production individuels d'électricité aux moment les plus appropriés vers les consommateurs les plus appropriés, le réseau de distribution, le stockage local ou la consommation domestique, sur les sources d'électricité les plus appropriées, et notamment même en l'absence de l'utilisateur, et d'utiliser le moyen de stockage d'électricité de manière bien plus rationnelle qu'en présence seulement des besoins de l'utilisateur lui-même ; de plus la production ou le stockage individuel d'électricité peut être optimisée et utilisée de préférence pour des besoins à proximité du logement équipé, ce qui réduit très significativement le transport de l'électricité. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit faite en référence aux figures annexées dans lesquelles - La figure 1 est une vue schématique d'un réseau public d'électricité, - La figure 2 est une vue schématique d'un boîtier selon l'invention Les figures 3 à 5 sont des courbes issues d'une simulation de consommation de différents types de logements, sur plusieurs jours, respectivement à l'équinoxe, au solstice d'été et au solstice d'hiver. La fig. 1 représente schématiquement un réseau public d'électricité, avec des centrales de production d'électricité 1, connectés généralement par un maillage au niveau national, des relais régionaux 2, et des relais locaux 3, également connectés par des maillages. A partir du relais local 3 un réseau 4 étoilé alimente chaque logement 5. En parallèle des relais locaux 3, sont alimentées des usines, et/ou des infrastructures de transport 6. La fig. 2 représente schématiquement un boîtier 7, avec une entrée/sortie réseau 8, une entrée énergie 9, une entrée/sortie stockage 10, une sortie consommation 11 et une interface de 35 communication 12. Dans la suite, on confondra souvent le réseau local et le réseau public d'électricité, repérés l'un et l'autre par le repère 4. Ce n'est que pour décrire la configuration du réseau lui-même que la distinction est importante. Pour ce qui concerne les logements 5, leur réseau électrique, et leur interaction avec le réseau externe, il n'est pas important de distinguer la partie locale du réseau externe et son ensemble. Un tel boîtier 7 peut être disposé dans des logements 5. Certains logements 5 sont équipés de moyens de production 10 individuels 13, comme des panneaux photovoltaïques, ou de panneaux solaires thermiques associés à une génératrice Stirling, d'autres d'une éolienne, d'autres encore de géothermie, ou d'un réacteur de biomasse, où même d'une génératrice au fuel ou au gaz ; dans des cas particuliers une 15 chute d'eau peut même se trouver dans la propriété. Tous ces moyens 13, et d'autres, peuvent être utilisés pour produire de l'électricité. Ils sont alors connectés au boîtier 7 par l'entrée énergie 9. Pour faciliter la conception du boîtier 7, on associe à chacun de ces moyens de production un onduleur 14, 20 de sorte que l'électricité entrant dans le boîtier 7 est un courant alternatif aux normes du réseau de distribution. Certains logements 5 peuvent être équipés de moyens de stockage électrique 15, comme par exemple des batteries d'accumulateurs, au plomb, au lithium/ion, ou d'autres 25 technologies, ou alors des super capacités. Ces moyens de stockage sont alors connectés au boîtier 7 par l'entrée/sortie stockage 10. Là encore, pour faciliter la conception du boîtier 7, un onduleur 16 permet de transformer le courant continu délivré par le moyen de stockage en courant alternatif, et un 30 redresseur 16 permet d'utiliser le courant alternatif venant du boîtier 7 en courant continu, ou du moins redressé. Tous les logements 5 sont généralement équipés d'appareils 17 consommant de l'électricité. Ces appareils 17 sont connectés sur la sortie consommation 11 du boîtier 7. 35 Ainsi, quand les moyens de production individuels d'électricité 13 sont en fonctionnement, ils alimentent le boîtier 7 en courant alternatif. Le boîtier 7 dispose d'un module de communication et de calcul 18, qui peut alors décider d'envoyer ce courant alternatif, soit vers les moyens de stockage quand le logement 5 en dispose, soit vers les appareils 17, soit vers le réseau externe 4, qui l'utilisera selon ses besoins courants. Dans l'ensemble d'un réseau 4, certains logements 5 ne disposent ni de moyens de production locaux, ni de moyens de stockage, mais seulement d'appareils 17 de consommation, et ils sont branchés sur le réseau 4. De tels logements 5 ne trouveront pas d'intérêt dans un boîtier 7 selon l'invention. On les désignera par les logements PM dans la suite. D'autres logements 5 disposent d'un moyen de production individuel 13, on les désignera par les logements PML dans la suite. Un boîtier 7 selon l'invention leur permet d'optimiser les temps de fonctionnement de ce moyen de production individuel 13. Un tel boîtier 7 comporte une interface de communication 12, comme indiqué plus haut. Cette interface est par exemple reliée à internet, d'où elle peut être reliée à un centre de gestion du réseau 4. La communication peut aussi se faire par un courant porteur sur le réseau 4 électrique. De là le boîtier 7 pourra obtenir des informations sur les périodes durant lesquelles le réseau 4 extérieur est en demande. Durant ces périodes, le moyen de production individuel 13 sera mis en fonctionnement, et enverra le courant excédentaire sur le réseau 4. Dans de nombreuses circonstances, les périodes de besoin du réseau 4 ne coïncident pas avec les périodes de demande du logement 5 individuel dans lequel le moyen de production individuel 13 est installé. L'optimisation sera donc meilleure. D'autres logements 5 encore ne disposent pas d'un moyen de production individuel 13, mais disposent d'un moyen de stockage 15, on les désignera par les logements PMB dans la suite. Un boîtier 7 selon l'invention leur permettra d'optimiser leur consommation d'électricité, en chargeant le moyen de stockage quand les besoins du réseau 4 sont faibles, et en renvoyant un courant électrique sur le réseau 4, en provenance du moyen de stockage, quand les besoins du réseau 4 sont forts. Là encore, c'est par l'interface de communication 12 que le boîtier 7 pourra obtenir les informations pertinentes. D'autres logements 5 enfin disposent à la fois d'un ou 5 plusieurs moyens de production individuels 13, et d'un moyen de stockage de l'électricité, on les désignera par les logements PMBL dans la suite. Le boîtier 7 selon l'invention est alors particulièrement utile, et permet de choisir parmi de nombreuses options, comme : 10 - Faire fonctionner ou non les moyens de production individuels 13. Certains moyens, comme le solaire ou l'éolien, fonctionnent dans certaines conditions météorologiques, et pas dans d'autre conditions ; même quand les conditions météorologiques sont favorables, le coût 15 marginal de production peut être plus élevé que celui de l'électricité venant du réseau 4, notamment quand la demande est faible, et que pour l'opérateur, une baisse supplémentaire de production impliquerait la mise hors service de certaines centrales de production d'électricité 1, 20 ce qui entraine un coût important. D'autres moyens, comme une génératrice au gaz, peuvent être mis en route à souhait, mais selon le prix du gaz, peuvent être plus intéressants ou non que l'électricité venant du réseau 4. On peut aussi convenir que pour éviter la gêne due au bruit, la génératrice ne doit 25 pas fonctionner entre 22h et 6h du matin par exemple. Si la quantité demandée par les appareils 17 est supérieure à celle produite, la différence sera prélevée sur le réseau 4. - Charger les moyens de stockage, jusqu'à concurrence de la capacité des moyens de production individuels 13. 30 - Charger les moyens de stockage au maximum, même en prélevant du courant sur le réseau 4, - Au contraire limiter au mieux le prélèvement sur le réseau 4, en utilisant le courant stocké sur le moyen de stockage en complément des moyens de production. 35 D'autres options encore sont possibles, selon les circonstances des demandes du réseau 4, des conditions de production des centrales de production d'électricité 1, et des conditions de production des moyens individuels 13 d'autres logements. L'occupant d'un logement 5 a la possibilité de fixer 5 certaines règles, comme ne pas faire fonctionner la génératrice au diesel ou au gaz à certaines heures, fixer sa propre estimation du coût d'amortissement et d'usure du moyen de production à prendre en compte pour la comparaison avec le coût de l'électricité venant du réseau 4, et d'autres règles encore. 10 fi peut aussi librement mettre hors service l'un des moyens de production, pour des raisons de maintenance, ou même de commodité personnelle. Il lui suffira d'informer le module de communication et de calcul 18 du boîtier 7, une telle information pouvant selon le cas se faire automatiquement. Le 15 gestionnaire du réseau 4 dispose d'un module de calcul, lui permettant de trouver l'optimum d'utilisation des divers moyens, en tenant compte des règles fixées par les occupants des divers logements 5. On obtient ainsi un réseau 4, non plus de logements 5 20 consommateurs, ni même de logements 5 normalement consommateurs, et parfois excédentaires et donc fournisseurs du réseau 4, mais un ensemble de logements 5 qui participent activement à la production globale, et à un stockage global d'électricité. Les propriétaires des moyens de production et stockage restent 25 maîtres de l'utilisation de leurs moyens, mais sont guidés pour que leur rentabilité augmente. Les panneaux solaires, ou éoliennes peuvent produire du courant même quand le logement 5 est vide, du fait par exemple que leurs occupants sont en vacances ou en week-end ; les moyens 30 de stockage peuvent pareillement être utilisés même sans la présence des occupants du logement 5 ; il suffit pour cela que l'occupant aie donné son accord pour cela. Ainsi les investissements en moyens de production par exemple solaire ou éolien sont bien plus rapidement amortis, du fait de leur 35 utilisation plus grande. Par ailleurs, le gestionnaire du réseau 4 dispose alors en complément des centrales de production d'électricité 1, d'un ensemble complémentaire de production et stockage, dont il peut, par diverses informations à l'adresse des boîtiers 7 des logements 5, et par des incitations tarifaires, optimiser l'utilisation, pour permettre une production bien plus importante qu'en l'absence d'un tel système par des moyens solaires, éoliens, biomasse, et donc des moyens renouvelables de production d'énergie. De plus cette production se situe en moyenne bien plus près des logements, puisqu'elle est produite au coeur des villes où existe la demande de consommation. Avec le développement des maisons dites passives, et donc productrices nettes d'énergie, il y a là une ressource importante qui peut être utilisée dans les maisons voisines, moins bien isolées, avec une distance de transport de l'électricité très fortement réduite, et donc un allègement de la charge des réseaux principaux d'électricité et une réduction drastique des coûts de transport de l'électricité. En outre, le gestionnaire du réseau 4 se voit mettre à disposition par la présente invention un outil de gestion des pics de consommation très significativement moins onéreux que le système de la technique antérieure : au lieu de devoir maintenir en état un certain nombre de centrales thermiques, pour pouvoir les mettre en route d'urgence en cas de pic de consommation, il va pouvoir utiliser les moyens de production individuels 13, et, avec un minimum de prévision, les moyens de stockage individuels 15. Ainsi il aura besoin d'un parc de centrales de production d'électricité 1 prêtes à intervenir plus faible, ce qui réduit significativement ses coûts globaux, et donc le coût moyen de production de l'électricité. D'une manière similaire, les pics de sous-consommation sont bien moins coûteux : dans l'état de la technique antérieur, il doit arrêter une centrale de production d'électricité, et la redémarrer quelques jours plus tard, ce qui est globalement très onéreux, ou baisser le régime de certaines centrales de production d'électricité 1, ce qui les fait travailler à un rendement plus faible ; selon l'invention, en cas de pic de sous-consommation, il enverra un message vers les boîtiers 7 visant à charger les moyens de stockage ou à arrêter les moyens de production individuels 13, ou les deux en même temps. Ce genre d'action pour la gestion des pics peut bien entendu être pris localement au niveau d'une ville ou d'un quartier, pour utiliser au mieux l'électricité produite localement en cas de pic de production, et éviter de transporter loin un excès de production venant des centrales de production d'électricité 1. Des simulations ont été entreprises pour évaluer l'effet de l'invention sur un réseau 4. Des valeurs de courants nets de lignes ont été reportées sur plusieurs jours dans le cas d'un ensemble exclusif de logements PM d'une part, PMB, PML puis PMBL. Les simulations ont été conduites à l'équinoxe (fig. 3), et aux solstices d'été (fig. 4) et d'hiver (fig. 5). On peut faire les observations suivantes : Cas PM : maisons alimentées par la production centralisée : le courant négatif s'explique par une consommation très basse en journée (période d'absence) - la puissance produite ne peut pas être ajustée exactement (un réacteur de centrale nucléaire a un ajustement très lent). Cas PMB : maisons alimentées par la production centralisée et stockage domestique chargé par le réseau 4, réinjecté sur demande : en comparant les courbes des courants de la ligne de cas PM et PMB, le courant maximal de ligne est réduit et plus centré sur la moyenne. Le courant minimal voit sa valeur remonter pour participer à la recharge de l'infrastructure de stockage. La variance est bien réduite. Cas PML : maisons alimentées par la production centralisée + production locale réinjectée sur le réseau 4 : en comparant le cas PM et PML, la production locale (solaire) a bien contribué à l'ensemble pour diminuer la moyenne, en revanche elle intervient quand il fait jour (panneaux solaire seulement), où il n'y a pas de forte consommation, donc elle écarte la courbe de consommation. C'est pour cette raison que la variance augmente. Cas PMBL : maisons alimentées par la production centralisée, stockage domestique chargé par le réseau 4 et réinjecté sur le réseau 4 sur demande, production locale injectée sur le réseau 4 : dans les cas où la production locale à base d'énergies renouvelables (panneaux solaires) est mise en marche, la puissance produite est supérieure à la consommation, donc il y a un courant négatif qui est réinjecté dans le réseau 4 public/collectif. Dans le cas PMBL, la moyenne est diminuée, au contraire la variance augmente. Bien que l'invention ait été décrite selon un mode de réalisation particulier, elle n'y est nullement limitée, et des variantes peuvent y être apportées, ainsi que des combinaisons des variantes décrites, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.15 REVENDICATIONS1.Boîtier (7) comprenant une entrée/sortie réseau (8) de courant alternatif, destinée à être connectée au réseau public d'électricité (4), une sortie consommation (11) de courant alternatif destinée à être connectée à l'installation électrique d'un logement (5) pour alimenter divers appareils électriques (17), caractérisé en ce qu'il comporte en outre une interface de communication (12), une entrée énergie de courant alternatif (9), destinée à être connectée à un moyen de production individuel d'électricité (13), un module de communication et de calcul (18), comprenant des moyens de mesure pour mesurer les courants passant par les diverses entrées et sorties (8, 9, 11), un moyen de réception pour recevoir des informations d'un réseau de communication externe, et un émetteur d'informations à destination dudit réseau de communication externe et comprenant en outre des moyens agencés pour recevoir des informations du réseau de communication externe par ledit moyen de réception, et d'en déduire une configuration entre les consommateurs et les producteurs à un moment donné et éventuellement un ordre de marche ou d'arrêt à destination dudit moyen de production individuel d'électricité (13). 2.Boîtier (7) selon la revendication précédente, comprenant en outre une entrée/sortie stockage (10) de courant alternatif destinée à être connectée à un moyen de stockage (15) de courant électrique, le cas échéant par l'intermédiaire d'un redresseur/onduleur (16), et ledit module de communication et de calcul (18) est agencé pour déduire desdites informations un ordre de charge ou de décharge ou de déconnexion à destination dudit moyen de stockage. 3.Installation électrique d'un logement (5) comprenant une connexion au réseau public d'électricité (4), un appareil (17) destiné à consommer un courant électrique, ladite installation comprenant en outre un moyen de production individuel d'électricité (13), associé le cas échéant à un onduleur (14), et un boîtier (7) selon la revendication 1. 4.Installation électrique d'un logement (5) comprenant une connexion au réseau public d'électricité (4), un appareil (17) destiné à consommer un courant électrique, ladite installation comprenant en outre un moyen de production individuel d'électricité (13), associé le cas échéant à un onduleur (14), un moyen de stockage (15) de courant électrique, associé le cas échéant à un onduleur/redresseur (16), et un boîtier (7) selon la revendication 2. 5.Installation électrique selon l'une des revendications 3 ou 4 comprenant un onduleur (14, 16) et un filtre (19) disposée entre chaque sortie dudit onduleur (14, 16) et la phase du réseau 4 à laquelle il est connecté. 6.Installation selon l'une des revendications 3 à 5, 20 dans lequel ledit moyen de production individuel d'électricité (13) est un panneau solaire ou une éolienne. 7.Système de gestion d'un réseau public d'électricité (4) raccordé à une centrale de production d'électricité (1) et une pluralité de logements (5), et comprenant un 25 ordinateur de gestion du réseau public d'électricité (4), caractérisé en ce que au moins un des logements (5) comprend une installation électrique selon l'une des revendications 3 à 6, ledit ordinateur comportant un logiciel apte à communiquer avec ledit boitier. 30