Integration of probabilistic solar forecasts in the optimal control of energy systems: application to a micro-grid
Intégration des prévisions solaires probabilistes dans le contrôle de systèmes énergétiques : application à un microréseau
Résumé
The issue of global warming has been on the political, scientific, economic and societal agenda for nearly thirty years. Many countries have committed to decarbonize their energy production in order to achieve security and sustainability of supply. In order to achieve these objectives, one of the first levers is to increase the penetration of intermittent renewable energies (solar, wind, wave) in the energy production mix. Intermittent renewable energies are abundant, but they are very fluctuating. Indeed, their production is generally very dependent on climatic hazards (clouds, wind, temperature). Because of this high variability, the massive integration
of this type of energy in the electrical grids makes it difficult to maintain the balance between production and consumption. To achieve a massive integration of intermittent renewable energies in the grids, various solutions are considered. First, it is possible to adapt consumption to the production profile (load shifting). This demand management involves, for example, consuming as the sun goes by in the case of solar generation. Another possible solution is to oversize the production system and to clip the overproduction. Unfortunately, this solution alone does not guarantee continuous production when the resource is non-existent. The most common solution is the use of storage systems. It guarantees the adaptation of production to consumption. Indeed, the energy stored during moments of overproduction can be used later. Unlike storage, which is a costly solution,
it is possible to anticipate fluctuations in production and consumption by using forecasts. Each of these solutions considered alone does not lead to a viable technical or economic response. It
is therefore necessary to adopt a combination of these solutions in order to consider a massive integration of intermittent renewable energies into the electrical networks.
In order to ensure a balance between production and consumption with a minimum operating cost, it is necessary to plan in advance the commitment of the production means (unit commitment). This planning is achieved through the technical and economic optimization of the future generation mix. It is therefore necessary to have reliable forecasts of consumption and production. As the generation of conventional production systems (thermal, nuclear, hydroelectric) is controllable, it is not really a question of forecasting, but of availability. On the other hand, as with consumption, the random nature of intermittent renewable energy production requires the use of forecasts.
In this thesis, we propose to address the problem of using forecasts of intermittent renewable energy production in planning the operation of energy systems, such as storage, within a power system.
La question du réchauffement climatique s'invite depuis près de trente ans à la table des débats politiques, scientifiques, économiques ou sociétaux. De nombreux pays se sont engagés à décarboner leur production d'énergie. Afin d'atteindre ces objectifs, l'un des premiers leviers est d'augmenter la pénétration des énergies renouvelables (ENR) intermittentes dans les mix énergétiques. Les ENR intermittentes sont abondantes, mais elles sont très fluctuantes. Du fait de cette forte variabilité, l'intégration massive de ce type d'énergie dans les réseaux électriques complexifie le maintien de l'équilibre production-consommation. Pour parvenir à une intégration massive des ENR intermittentes, diverses solutions sont envisagées : - Adapter la consommation au profil de production. - Surdimensionner le système de production et écrêter la surproduction. - Utiliser des systèmes de stockage. - Anticiper les fluctuations de production et de consommation en utilisant des prévisions. Chacune de ces solutions envisagées seules n'aboutit pas à une réponse technique ou économique viable. Il est donc nécessaire d'adopter une combinaison de ces solutions. Afin d'assurer l'équilibre production-consommation avec un coût minimal de fonctionnement, il est nécessaire de planifier à l'avance l'engagement des moyens de production. Cette planification est obtenue par l'optimisation technique et économique du mix de production futur. Dans ce travail de thèse, nous proposons d'aborder la problématique de l'utilisation des prévisions des ENR intermittentes dans la planification du fonctionnement de systèmes énergétiques, tel que le stockage, au sein d'un réseau électrique. Les prévisions déterministes sont les prévisions les plus couramment utilisées. Cependant, les ENR intermittentes sont fortement dépendantes des phénomènes météorologiques. Les prévisions déterministes sont donc incertaines. Les prévisions probabilistes ont été conçues pour donner une information sur l'incertitude associée aux prévisions. Elles prennent la forme d'une distribution de probabilités ou d'un ensemble représentatif des valeurs possibles de la variable prédite. Les techniques de prévision probabiliste sont relativement nouvelles. L'état de l'art sur leur utilisation pour l'optimisation de la planification de l'engagement des moyens de production est quasi inexistant. Une revue de la littérature a été réalisée sur les méthodes de prévisions utilisées pour prédire la production des ENR intermittentes et sur les techniques d'optimisation, notamment stochastiques. Cela a permis de proposer une nouvelle approche pour intégrer les prévisions probabilistes dans l'optimisation de la planification des moyens de production en s'appuyant sur la programmation dynamique probabiliste. La méthodologie développée est appliquée à un micro-réseau réel situé sur l'île de La Réunion. Ce cas d'étude comporte un bâtiment à énergie positive disposant d'un générateur photovoltaïque et couplé à un stockage d'énergie, qui lui sera fictif. Ces travaux tenteront d'apporter des réponses aux verrous scientifiques suivants : - L'utilisation de la prévision déterministe est-elle intéressante pour réduire le coût de fonctionnement d'un système énergétique ? Cette gestion est-elle meilleure qu'une gestion basée sur des règles expertes ? - L'utilisation de prévisions probabilistes est-elle plus performante que l'utilisation de prévisions déterministes pour réduire le coût de fonctionnement d'un système énergétique ? - Existe-t-il une relation entre les indicateurs évaluant la qualité des prévisions, les gains techniques et économiques liés à leur utilisation ? Les études menées montrent clairement que l'utilisation des prévisions probabilistes conduit à de meilleurs gains économiques que les prévisions déterministes. Ce travail contribue à démontrer aux acteurs du secteur de l'énergie les avantages liés à l'utilisation de prévisions probabilistes.