Développement d'un estimateur d'état énergétique d'un chauffe-eau pour un contrôle par champ moyen

Les chauffe-eau électriques domestiques présentent un potentiel de stockage intéressant pouvant être exploité dans un contexte de réseaux électriques intelligents. Ainsi, par exemple, une variation de 1 °C de la température de l'eau d'un chauffe-eau électrique (CE) de 270 litres correspond à 0.313 kWh d'énergie. Pour un réseau électrique comme celui d'Hydro-Québec, qui compte environ 2 millions de CE, cela représente un fort potentiel de stockage. Cette source de stockage déjà présente sur le réseau permettrait, à l'aide d'une stratégie de contrôle adéquate, de lisser la courbe de consommation d'électricité en déplaçant une partie de la charge survenant lors des périodes de pointe vers les périodes de creux. Ce mémoire s'inscrit dans un contexte de développement d'une plate-forme de simulation visant à implanter une stratégie de contrôle par champ moyen des chauffe-eau sur le réseau. Cette approche novatrice de contrôle permet à l'ensemble des chauffe-eau de répondre à une consigne globale tout en respectant les contraintes locales de chacun. Pour être fonctionnelle, cette stratégie requiert plusieurs composantes devant être intégrées à la plate-forme de simulation. Plus particulièrement, ce mémoire s'intéresse au développement d'un modèle numérique et à l'estimation de l'état en température et en énergie d'un chauffe-eau électrique domestique. Le modèle proposé pour la prédiction du comportement d'un chauffe-eau est un modèle multinodal. Cette approche permet de discrétiser le réservoir d'un chauffe-eau en plusieurs petits volumes. L'équation de conservation de l'énergie est résolue pour chacun de ces sous-volumes, et il est possible de prédire l'évolution en température moyenne à la sortie avec une erreur moyenne de 2.4 °C. Les résultats issus du modèle multi-nodal se comparent favorablement avec des modèles numériques de référence, retrouvés dans le logiciel de simulation thermique TRNSYS, ainsi qu'avec des mesures expérimentales de température d'un chauffe-eau électrique. Dans ce modèle, la température est supposée uniforme pour chaque sous-volume et les pertes en attente sont considérées constantes. Bien que le modèle soit linéaire, une routine de correction permet de redistribuer adéquatement la chaleur à l'intérieur du réservoir tout en respectant la dynamique thermique du chauffe-eau, notamment la présence d'une stratification de la température au niveau des éléments chauffants. Le modèle multi-nodal est utilisé principalement pour simuler la charge d'une grande population de chauffe-eau sur le réseau électrique. Il est également utile au planificateur, qui génère la température de consigne pour l'ensemble de la population, ainsi qu'au contrôleur par champ moyen, qui génère la commande optimale pour ce même ensemble.