Optimisation structurelle des systèmes énergétiques

L'essor des énergies renouvelables a pris de l'ampleur ces dernières années pour faire face aux problèmes environnementaux liés à la consommation d'énergies fossiles. Ces énergies sont grandement mises à profit dans les secteurs résidentiel et commercial et de nombreux systèmes ont été proposés pour répondre à la demande énergétique des bâtiments. Améliorer le rendement et l'utilisation de ces unités, autrement dit améliorer la gestion de l'énergie, apparaît alors essentiel afin de réduire l'empreinte écologique de l'Homme sur la planète. Toutefois, l'intégration des systèmes est un problème très complexe à résoudre ; en effet, il fait intervenir le nombre d'unités, leur technologie, leur taille, leurs conditions de fonctionnement et la façon de les connecter entre elles. La multitude de solutions proposées met ainsi en relief le manque d'une analyse systématique permettant de comparer leurs performances. Cette démarche est essentielle afin d'évaluer les différents arrangements, quel que soit le critère, et de déterminer l'équipement optimal selon le contexte économique, le climat d'étude et l'espace disponible pour installer les unités. Ainsi, l'objectif est de présenter une telle méthode, soit l'optimisation structurelle des systèmes énergétiques. Elle servira à identifier les différents arrangements possibles entre unités et à comparer leurs performances dans le but de choisir l'équipement optimal. Les combinaisons ont été soumises à un ensemble de contraintes environnementales (climat d'étude), structurelles (espace disponible) et économiques et les critères de choix ont tenu compte des aspects énergétiques, économiques et écologiques. Pour ce faire, en plus des analyses énergétique et économique clas-siques, le concept d'exergie a également été étudié et appliqué à l'équipement. Cependant, l'approche par les logiciels usuels est peu évidente, de par la complexité des systèmes intégrés et les temps de calculs particulièrement longs. Il est clair que le travail d'optimisation au complet constitue une tâche considérable et l'intérêt de cette thèse est d'instaurer les bases de l'optimisation avec des outils appropriés. Une revue exhaustive de l'équipement, plus particulièrement les panneaux photovoltaïques, les capteurs solaires, les pompes à chaleurs et les réservoirs de stockage, a tout d'abord été effectuée de manière à envisager l'ensemble des possibilités de combinaisons des unités pour répondre à la demande énergétique des bâtiments. Des modélisations énergétiques et exergétiques de l'équipement, adaptées au problème d'optimisation, ont été effectuées et appliquées à deux scénarios particuliers : a) une pompe à chaleur solaire avec stockage de glace et réservoir d'eau chaude et b) une pompe à chaleur utilisant l'air ambiant associée à des panneaux photovoltaïques.

Abstract

The development of renewable energies is growing over the last decade to face environmental issues due to the world fossil fuel consumption increase. These energies are highly involved in houses and commercial buildings and numerous systems have been proposed to meet their energy demand. Therefore, improving both efficiency and use of systems, i.e. improving energy man-agement, appears essential to limit the ecological footprint of humanity on the planet. However, system integration yields a very complex problem to be solved due to the large number of units and theirs technology, size, working conditions and interconnections. This situation highlights the lack of systematic analysis for comparing integrated system performance and for correctly point-ing out their potential. As a result, the objective of this thesis is to develop and to present such a method, in other words the structural optimization of energy systems. It will be helpful to choose the optimal equipment by identifying all the possibilities of system arrangements and for compar-ing their performance. Combinations have then been subjected to environmental (climate), struc-tural (available area) and economical constrains while assessment criteria have considered both energy, economic and ecological aspects. For that reason, as well as energy and economic anal-yses, the exergy concept has also been applied to the equipment. Nevertheless, the high degree of complexity of integrated systems and the tedious numerical calculations make the resolution by using standard software very difficult. It is clear that the whole optimization project would be considerable and the aim is to develop models and optimization tools. First of all, an exhaustive review of energy equipment including photovoltaic panels, solar collectors, heat pumps and thermal energy storage systems, has been performed. Afterwards, energy and exergy models have been developed and tested for two specific energy scenarios: a) a solar assisted heat pump using ice and warm water storages and b) an ambient air heat pump associated to photovoltaic panels. A superstructure has then been constructed to account for every system combination possibility. The different energy paths have been illustrated while irreversibility along every path is identi-fied. Thus, it allows the system operation to be clearly understood. Besides, an exergy diagram has been developed and permits energy and exergy assessment of system and system arrange-ments to be not only identified but also quantified and separated depending on their (renewable or non-renewable) source. Finally, dimensions and operation variables have been optimized accord-ing to exergy and economic criteria for the aforementioned scenarios; the potential of each ener-gy option has been estimated and yield a better energy management to be reached.