Utilisation du potentiel de stockage thermique des chauffe-eau électriques pour combler une production variable d'énergie renouvelable

Les chauffe-eau électriques ont un potentiel de stockage qui peut être exploité de façon à compenser les variations de production électrique intermittentes comme celles de panneaux photovoltaïques. La puissance produite par un panneau solaire photovoltaïque peut varier de 50% en 90 secondes (NERC). Cette variabilité constitue un frein à l'augmentation de la quantité d'énergie renouvelable pouvant être ajoutée sur les réseaux électriques. Ce mémoire propose d'utiliser le contrôle d'une population de chauffe-eau électriques afin de compenser cette variabilité. Plus spécifiquement, ce mémoire présente un cas de coopération entre des chauffe-eau et de la production photovoltaïque intermittente afin de compenser en partie les variations de production photovoltaïque. La méthode proposée repose d'abord sur le calcul d'une moyenne mobile sur la production passée. Cette moyenne peut être évaluée selon différentes fenêtres d'observation ou intervalles de temps. À un instant donné, immédiatement après le calcul de la moyenne mobile, la production photovoltaïque peut être représentée par cette moyenne mobile plus ou moins les variations soudaines de production se produisant à cet instant. Dans la méthode proposée, il est supposé que la portion associée à la moyenne mobile est fournie normalement sur le réseau électrique local, alors que les variations soudaines sont compensées en modulant, à la hausse ou à la baisse, la puissance des éléments chauffants situés au bas de chauffe-eau électriques. En terme énergétique, l'analyse de la production photovoltaïque annuelle d'un site montre qu'en utilisant le concept de moyenne mobile, les chauffe-eau devront compenser 19.5% de l'énergie de la production photovoltaïque annuelle pour une fenêtre d'observation de 30 minutes. En utilisant un cas conservateur avec une consommation d'énergie pour le chauffage de l'eau chaude de 14 kWh par jour et des variations soudaines de puissances importantes se produisant moins de 0.3% des minutes de l'année, la production photovoltaïque à mettre en coopération avec 3650 chauffe-eau est de 3.1 MW afin de compenser les variations basées sur une fenêtre d'observation de 30 minutes. Ce qui veut donc dire que 3650 maisons résidentielles contenant des chauffe-eau à proximité d'une centrale de production photovoltaïque de 3.1 MW pourraient coopérer comme présenté dans ce mémoire et ainsi diminuer les variations de puissances photovoltaïques vues par le réseau électrique.

Abstract

The electric water heaters have a storage potential that can be exploited to compensate for variations in intermittent power generation such as photovoltaic panels. The power produced by a solar panel can vary by 50% in 90 seconds (NERC). This variability is an obstacle to increasing the amount of renewable energy that can be added to the grids. This thesis proposes to use an electric water heater population to add flexibility to loads and compensate this variability. More specifically, it presents a case of cooperation between water heaters and intermittent photovoltaic production to partially compensate for the intra-hour photovoltaic power variability. The proposed method is based on the calculation of a moving average of past production. This average can be evaluated according to different observation windows or time intervals. At any given time, immediately after the calculation of the moving average, the photovoltaic generation can be represented by the moving average and sudden negative or positive changes in output occurring at this time. In the proposed method, it is assumed that the portion associated with the moving average is normally provided on the local power grid while sudden changes in power are compensated by modulating, up or down, the power of the heating elements at the bottom of electric water heaters. The energy analysis of an annual photovoltaic production from a site shows that when using the concept of moving average with a 30 minutes observation window, water heaters have to offset 19.5% of the annual photovoltaic energy production. A conservative case with 14 kWh per day of energy consumption for heating hot water and with high sudden changes in power levels, occurring less than 0.3% of the minutes of the year, shows that the photovoltaic generation needed to cooperate with 3650 water heaters is 3.1 MW. This would compensate the photovoltaic variations based on an observation window of 30 minutes. This means that 3650 residential houses containing water heater near a 3.1 MW photovoltaic power plant could cooperate, as presented in this thesis, and thus reduce photovoltaic power variability seen on the electrical grid.