Brevet FR3087278A1 — publié le 20200417

OPTIMISATION D'UN PARTAGE D'ENERGIE ELECTRIQUE EN CONTEXTE D'AUTOCONSOMMATION ET D'AUTOPRODUCTION COLLECTIVES Domaine de l'invention : L'invention concerne le domaine de la distribution d'énergie électrique en particulier dans un contexte d'autoconsommation collective. Besoin/ Problème : Un décret publié le 30 avril 2017 autorise pour la première fois l'autoconsommation collective de l'électricité photovoltaïque en France. Partager une production d'électricité solaire entre les habitants d'un immeuble ou encore entre bâtiments voisins plutôt que de la revendre intégralement sur le réseau (comme c'est le cas à présent), sera bientôt possible. Aujourd'hui, la plupart des expérimentations se limitent à du sous-comptage pour distinguer la part issue de l'énergie produite localement de celle soutirée du réseau (complément du fournisseur). Quelques démonstrateurs mettent en oeuvre le pilotage d'une batterie stationnaire (smart Magne) ou de chauffe-eaux (Paris) avec l'unique objectif de maximiser l'autoconsommation globale. Or, dans certains cas, il est important de prendre en compte des règles supplémentaires pour sélectionner les usages pilotés. Par exemple : - pour permettre aux clients consommant peu la journée d'accéder malgré tout à l'électricité renouvelable de proximité, - pour éviter une augmentation des factures clients, - pour tendre vers une clef de répartition prédéfinie (strictement égalitaire ou au prorata de l'investissement initial de chacun dans une installation photovoltaïque commune, des tantièmes d'une copropriété, ou autre) appliquée à l'énergie renouvelable produite, au surplus ou encore au gain sur la facture d'électricité. 2 Ces règles supplémentaires peuvent être décisives pour emporter l'adhésion des clients à un projet d'autoconsommation collective, en particulier dans une copropriété. Cependant, le cadre réglementaire impose de réaliser les bilans au pas demi-horaire pour calculer le complément fournisseur éventuel, ce complément étant nécessairement positif 5 ou nul à chaque pas de mesure. L'interdiction du « net metering » en France (service accordé par un fournisseur d'électricité à un consommateur, lui permettant de compenser partiellement sa consommation d'électricité facturée par la production d'une installation qu'il exploite sur son site de consommation) et la finesse du pas retenu induisent des écarts importants entre l'autoconsommation « contractuelle » et cible. En effet le réseau ne fait 10 pas office de stockage donc l'énergie photovoltaïque excédentaire injectée à un instant t ne peut pas être déduite d'un soutirage à un instant t+dt . La présente invention vient améliorer cette situation. 15 Elle propose à cet effet, dans une réalisation possible, un procédé mis en oeuvre par des moyens informatiques d'un serveur de gestion central relié à une pluralité d'équipements choisis, consommateurs d'électricité et reliés à une installation électrique à laquelle est relié en outre un moyen autonome de production électrique (par exemple un ou plusieurs panneaux photovoltaïques et/ou une ou plusieurs éoliennes), 20 procédé dans lequel : - on estime une consommation d'électricité globale dans l'installation, - on détermine si la consommation globale est inférieure ou respectivement inférieure à une production électrique fournie par le moyen autonome, et le cas échéant, on identifie, parmi la pluralité d'équipements choisis, le ou les équipements qui sont 25 éteints ou respectivement allumés, et, en fonction d'au moins un critère choisi (par exemple une estimation de montant de consommation en heure creuse ou en heure pleine), - on sélectionne le ou les équipements identifiés pour être allumés ou respectivement éteints. 30 Les équipements choisis précités peuvent être des équipements éligibles comme par exemple un ballon d'eau chaude sanitaire, ou des radiateurs, dont un retard ou une avancée de mise en marche ont peu d'impact sur le confort de l'utilisateur de l'installation. 11 peut 3 s'agir aussi d'une machine à laver du linge ou autre, dont la mise en service peut être retardée par exemple de quelques dizaines de minutes à quelques heures. Dans une réalisation possible, l'invention propose un procédé mis en oeuvre par des 5 moyens informatiques d'un serveur de gestion central relié à au moins un équipement (par exemple des ballons d'eau chaude sanitaire, ou des radiateurs allumés à des heures régulières de la journée) consommateur d'électricité par périodes de temps régulières (par exemple en heures creuses et non en heures pleines) et relié à une installation électrique à laquelle est relié en outre un moyen autonome de production électrique, 10 procédé dans lequel : - on estime une consommation d'électricité globale dans l'installation, - on détermine si la consommation globale est inférieure à une production électrique fournie par le moyen autonome, et le cas échéant, - on pilote l'équipement pour être mis en service ou en dehors desdites périodes de 15 temps régulières. Dans une réalisation, si la consommation globale est supérieure à une production électrique fournie par le moyen autonome et pendant lesdites périodes de temps régulières, on peut déférer la mise en service de l'équipement en dehors desdites périodes de temps régulières, 20 pour que l'équipement consomme préférablement un excédent ultérieur de production par le moyen autonome. Dans une réalisation où plusieurs installations sont reliées électriquement pour transmettre, depuis une installation en surproduction, un excédent de production à une installation en 25 surconsommation par rapport à son autoproduction, on comptabilise, sur une période comportant une pluralité de jours (par exemple un mois), pour chaque installation : les occurrences et les durées d'excédent de production transmis à une ou plusieurs autres installations, et les occurrences et les durées de besoin de consommation avec un ou plusieurs 30 excédents reçus d'une ou plusieurs autres installations. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture d'exemples de réalisation ci-après et à l'examen des dessins annexés sur lesquels : 4 - La figure 1 présente une architecture possible avec un serveur de gestion et un backcnd pour la mise en oeuvre du procédé ci-avant. Dans ce qui suit, on entend par « autoconsommation » la part de la production qui est 5 consommée localement et par « autoproduction » la part de la consommation qui est produite localement. L'invention propose de résoudre tout ou partie des problèmes ci-après : - comment répartir la production au sein de la communauté ? en effet, les dispositifs de 10 comptage du gestionnaire du réseau de distribution ne permettent pas de distinguer la part produite localement, du complément fournisseur. Il est donc nécessaire de lui fournir la clef de répartition à appliquer sur les courbes de charge 30 minutes des clients de l'opération en veillant qu'un kilowattheure produit ne soit pas attribué simultanément à plusieurs clients et que le client bénéficiaire consomme au 15 moins cette quantité à cet instant puisque le réseau français n'offre pas un service de stockage ; le cas échéant, comment faire en sorte que le calcul de l'affectation converge vers une règle de partage contractuelle ? A titre d'exemples de règle de partage, on peut prévoir un partage de la production à part égale, à réduction de facture identique, ou 20 autre ; - comment faire en sorte que toute la production soit consommée localement ? le surplus injecté sur le réseau n'est pas ou est peu valorisé économiquement par rapport à l'autoconsommation qui réduit les factures clients (du fait du « net metering » précité). 25 Il est recherché ainsi une synchronisation de la consommation, d'une part, et. de la production, d'autre part, à un pas régulier, par exemple de temps 30 minutes. A cet effet, on utilise le pilotage des charges pour maximiser l'autoconsommation, et en 30 outre converger - dans une logique de meilleur effort (ou « l'est effort ») - vers des règles de partage. 5 Une contrainte est que le réseau n'est pas configure pour effectuer du stockage d'énergie. Ainsi, si tout n'est pas autoconsommé, l'excédent de production locale doit être réinjecté dans le réseau. Il est recherché une minimisation de cette réinjection. En effet, elle représente économiquement une perte pour les clients auto-consommateurs car elle n'est 5 pas forcément rachetée par un tiers, et si tel est le cas néanmoins, son prix est moins intéressant qu'une valorisation locale correspondant. habituellement au prix de détail. La solution présentée ci-après propose, dans une forme de réalisation, de déformer « intelligemment » les courbes de charge en agissant sur le pilotage de charges pour 10 converger vers une règle objective de partage de la production. Cette réalisation prévoit d'établir une hiérarchisation dynamique des charges (ballons électriques, lave-linges, lave-vaisselles, etc.) à activer/désactiver pour maximiser l'autoconsommation globale en fonction de critères dynamiques sans augmenter les 15 montants de factures de clients tout en respectant au mieux, dans une logique de meilleur effort, une règle de partage. On peut prévoir à cet effet un procédé mis en oeuvre par des moyens informatiques comme suit. 20 Les charges pilotées sont sélectionnées après une ou plusieurs étapes de tri portant sur des critères d'éligibilité, et une dernière étape portant sur un critère de priorité. Opération 1 25 Le choix à effectuer des charges activables éligibles peut porter tout d'abord sur l'état de la charge (On/Off) des appareils concernés. Ici, on ne retient. que les charges dont la consigne est « appareil éteint » (0f1). Opération 2 30 Le choix précité peut porter en outre sur la durée d'arrêt (uniquement pour les charges interruptibles comme les ballons ou les batteries) qui peut-être théorique, s'il n'y a pas de remontée d'information sur l'état réel de fonctionnement de l'équipement. Cette valeur est 6 remise à 0 à chaque changement d'état On/Off et est initialisée à une valeur supérieure ou égale à l'anti-court cycle d'arrêt par exemple tous les matins. Opération 3 5 On peut chercher à éviter le vieillissement prématuré des appareils concernés, vieillissement dû à des sollicitations trop fréquentes. En l'absence de communication bidirectionnelle, un ordre peut simplement être envoyé par exemple d'un serveur de gestion vers un terminal auquel sont reliés les appareils (typiquement un compteur). Après activation d'une charge et son enclenchement, le temps de fonctionnement est incrémenté. 10 11 n'est pas nécessaire de prévoir une remontée d'information du terminal ou de l'appareil (puisqu'il est piloté à distance). On peut remettre ensuite un compteur d'horloge (ou « timer ») à zéro. On ne retient ainsi que les charges dont le temps d'arrêt est supérieur à l'anti-court cycle d'arrêt. 15 On peut définir un critère de rentabilité tel que la puissance des charges multipliée par le seuil d'activation reste inférieure à l'injection dans le réseau : Pcharge * seuil on Pcharge */+ k marge, 7 afin d'éviter une disjonction pendant la mise en marche. A la fin de cette opération 3' on obtient une liste de toutes les charges activables. 5 Il est décrit maintenant ci-après une réalisation pour le choix des charges désactivables éligibles. Opération I 10 Ce choix peut porter sur l'état (On/Off) des appareils typer ballons d'eau chaude sanitaire. Ici, on ne retient que les charges On. Opération 2 Le choix peut porter en outre sur la durée de marche (uniquement pour les charge 15 interruptibles comme les ballons ou les batteries) qui peut-être théorique, s'il n'y a pas de remontée d'information sur l'état réel de fonctionnement de l'équipement. Cette valeur est remise à 0 à chaque changement. d'état. On ne retient que les charges dont le temps de marche est supérieur à l'anti-court cycle de marche. 20 Opération 3 Le critère de rentabilité peut être défini comme suit : Pcharge * seuil_off REVENDICATIONS1. A chaque pas de temps de bilan (typiquement 10 ou 30 minutes), on calcule le taux d'autoproduction collective défini par : ElYinstalL p TAPC réeli = min(1, 1,71 `), EkLtents ck.i 15 avec ?Li la production de l'installation photovoltaïque numéro j à l'instant i Cula consommation du client numéro k à l'instant i 2) A chaque pas de temps de bilan, pour chaque client, on calcule l'autoproduction réelle telle que : APC_réellek,,:=C0 TAPC_réeli 20 3) A chaque pas de temps de bilan, pour chaque client,on calcule 1 'autoproduction cible telle que : APC_ciblek,i= DSk* min( ENclients Ninstc1 p k=i Ej=1 isi) avec DSk le droit à soutirer du client k 25 4) A chaque pas de temps de bilan, pour chaque client, on calcule l'écart entre les autoproductions réelle et cible : soldek = soldek + APC_réellek,r APC_cibleki En cas de surplus d'énergie produite localement, l'ordre d'activation des charges activables correspond aux soldes croissants. A l'inverse, en cas de pénurie d'énergie 30 produite localement, l'ordre de désactivation des charges intcrruptiblcs correspond aux soldes décroissants. 10 5) Le pas de pilotage est idéalement de l'ordre de la minute. Pour éviter une sollicitation excessive des appareils, il est préférable de réaliser une moyenne glissante du flux résultant (typiquement sur 10 minutes avec une mise à jour toutes les 30 secondes), de prendre en compte des anti court-cycle de marche et d'arrêt (typiquement 10 minutes pour les ballons) et des seuils d'activation et de désactivation des équipements pilotés. Ceux-ci correspondent à un taux de couverture solaire minimal de la charge activable (injection supérieure à seuil on * Pcharge) ou désactivable (soutirage supérieur à seuil off * Pcharge). Ils dépendent du prix de vente de l'énergie photovoltaïque, du prix de vente de l'électricité en cours et du prix de vente pendant la période de fonctionnement normal de l'équipement piloté, voire du rendement du stockage. Par exemple pour un ballon électrique asservi aux heures creuses (HC) qui serait relancé en heures pleines (HP) sans perte de rendement, on a : prix_elecHp -prix_elecHc seuil' = prix_elecHp - prix_pv Par un raisonnement analogue, seuilorr = prix_elecHp -prix_pv Selon les erreurs de mesure, les puissances électriques issues du photovoltaïque installé et des charges pilotées, il est. pertinent de prendre un seuil d'activation (respectivement. de désactivation) supérieur (respectivement inférieur) aux valeurs théoriques ci-dessus. Ces seuils peuvent être calculés pour chaque client, chaque usage et chaque pas de temps où l'on peut utiliser des seuils uniques (par client et/ou usage et/ou pas de temps) qui sont les maximums/minimums des sous-ensembles considérés. Le seuil seuil off peut avantageusement être plus grand que le seuil seuil on pour ajouter un effet hystérésis et éviter une prise de décision qui serait potentiellement contredite pendant le pas de temps de pilotage suivant. Avant d'activer une charge, il convient de vérifier si la puissance disponible - écart entre la puissance souscrite et la puissance moyenne appelée - est bien supérieure à celle de la charge plus une marge (typiquement. de 200W ou de 20%). prix_elecHc - prix_pv 11 S'il s'agit d'objectifs individuels d'économies sur la facture, alors il faut intégrer les prix de vente de l'électricité (du complément fournisseur et des installations photovoltaïques) dans le calcul des bilans. 5 Ainsi, le gain réalisé par le client k à l'instant i vaut : = APC_réellek,i* (prix_eleckj- prix_pvi) Tandis que le gain cible vaut : iv - gain = DSk * Ek2rs gain_réelki Et le solde cumulé : 10 soldek,i = soldckn + gain réclk,i - gain ciblckj ENinstall prix lvJ*PJ,i avec prix_pvi = 1-1 N ta +prix_turpek,i +prix_taxesk le prix moyen du II ins1 j kilowattheure photovoltaïque à l'instant i, tarif d'acheminent (min' TURPE) et taxes compris. 15 11 convient bien entendu d'utiliser le prix de l'électricité correspondant au fonctionnement normal de la charge pilotée pour évaluer les économies (par exemple, le tarif heures creuses pour la consommation des ballons asservis) en calculant un taux d'autoproduction pour les usages non pilotés et un autre pour le ballon, les premiers étant prioritairement couverts par la génération photovoltaïque. Les gains sont dans ce cas une somme de deux 20 termes calculés selon la méthode précédente. S'il s'agit d'un objectif global « opportuniste » de minimisation de la somme des factures, alors en cas de surplus d'énergie produite localement, l'ordre d'activation des charges correspond aux gains réalisables décroissants. A l'inverse, en cas de pénurie d'énergie 25 produite localement, l'ordre de désactivation des charges interruptibles correspond aux gains réalisés croissants. Une mise en oeuvre simple consiste à utiliser les seuils d'activation/désactivation différenciés et à ajouter ce critère supplémentaire dans l'étape de tri : les charges ayant les seuils les plus bas étant prioritaires. En cas d'égalité, un dernier tri peut s'effectuer sur le cumul d'énergie autoconsommée (au périmètre de la consommation totale du client ou uniquement des charges pilotées) pour « équilibrer » l'accès à la production d'énergie produite localement locale 12 On peut avantageusement remplacer l'opération 1 ci-avant par un traitement d'affectation de la production photovoltaïque qui maximise l'autoconsommation collective : ACC = min (prod pv, conso totale) pour attribuer à chacun une part égale à son droit à soutirer (= 5 cible). Le traitement peut procéder par itérations et prendre en compte le cumul des écarts par rapport. à la cible (= solde) dans la méthode d'arbitrage. - Si la production est excédentaire alors, tout le monde bénéficie d'une autoproduction de 100% APCIréellek,i=Ck,i A 10 PC_ciblek,i=DSk*EM"' - Si, au contraire, il y a une pénurie de la production : i. Les clients sont triés par solde croissant (les plus lésés sont prioritaires) ii. Régularisation des soldes dans les limites de la consommation du client 15 et de la production PV APC_réellekt= min (Cu, min(e_tall Pli - ricrilAPc_réeitek,i, max (0, VIV. ingrat? * DSk - SOldek,i-1))) z j=1 iii. Le résidu est successivement équiréparti entre les clients qui ont un taux 20 d'autoproduction inférieur à 100% NcLients_disp (x jNinftail p. ENcli"" APC réel )> 0 alors APC_réellek,i= leu Tant que 'L1 1=1 min (Cki, APC_réellek,t + (IN install :1=1 Pl ,i - APC_réelleu) / Nclients_dÉsp ) puis mise à jour de la liste des clients disponibles et de Nclients_disp 25 Cet algorithme peut être utilisé indépendamment du pilotage des ballons d'eau chaude, dans n'importe quelle opération d'autoconsommation collective. 30 Dans une autre variante, on peut utiliser des prévisions de consommation hors usages pilotés et de production. Il est possible de prioriser l'enclenchement d'un équipement blanc 13 non interruptible (par exemple un lave-linge) face à un cumulus lorsque le surplus prévisionnel le permet. La connaissance du surplus croisée avec une estimation de la capacité de stockage (par exemple par auto-apprentissage d'une intelligence artificielle) permet également d'adapter tous les jours les seuils d'activation et de désactivation des 5 charges (par exemple, seuil_on > 1, les jours où le surplus est bien supérieur à la capacité de stockage pour éviter les soutirages involontaires). Cet algorithme de hiérarchisation dynamique est bien adapté lorsqu'il s'agit de répartir la 10 production/le surplus d'une installation commune de panneaux photovoltaïques entre des clients autoproductcurs ou autoconsommateurs. La figure 1 présente une architecture possible avec un serveur backend pour la mise en oeuvre du procédé ci-avant. Il n'apparait comme on le relèvera aucune communication 15 directe entre le serveur gestionnaire central et les passerelles locales.