Méthodes d’Optimisation pour les Communautés d’Energie Locales : Gestion, Partage des Bénéfices, Flexibilité et Expansion

Optimization Methods for Renewable Energy Communities : Operations, Benefit Sharing, Flexibility Provision, Expansion

• Auteur / Autrice : Alyssa Diva Mustika
• Direction : Vincent Debusschere, Remy Rigo-Mariani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Systèmes et réseaux électriques (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Sareni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Clastres
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Monica Aragüés Peñalba, Zacharie De Greve
• DOI : 10.70675/f607ae6bz0493z453fz8caez1ed024e5ee71

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Habitations -- Consommation d'énergie

Énergie

Gestion

Consommation durable

Mots clés libres

Autoconsommation collective

Optimisation

Gestion

Clés de répartition

Mécanisme d'ajustement

Expansion

Collective self-Consumption

Optimization

Energy Management

Allocation rules

Balancing services

Expansion

Résumé

La transition énergétique durable conduit à l'adoption d'énergie renouvelables et au passage d'une architecture centralisée à des systèmes décentralisés. Cette évolution confère un rôle actif aux utilisateurs finaux, qui deviennent des ''consommateurs''. Ces consommateurs possèdent des ressources énergétiques distribuées (DER) pour produire de l'énergie localement, ce qui leur permet d'être plus indépendants. Les communautés d'énergie (CE) et autoconsommation collective (ACC) étendent cette caractéristique en permettant les échanges et les transactions entre les utilisateurs finaux.Cette thèse est basée sur un doctorat industriel avec une start-up française, SWEEN, qui joue un rôle d'opérateur de CE. Nous nous concentrons sur la gestion efficace des CE à travers différentes dimensions. L'objectif principal est d'atteindre le bien-être social collectif tout en garantissant l'équité entre les membres. Pour ce faire, nous proposons une stratégie de gestion en deux étapes : la première étape étudie le contrôle opérationnel des DER flexibles par le biais de stratégies de gestion de l'énergie (EMS) et la seconde étape est consacrée à l'allocation de la production de la communauté à chaque membre en utilisant des coefficients connus sous le nom de ''clés de répartition'' (KOR). Notre analyse englobe 40 combinaisons, impliquant quatre types de gestion de l'énergie et dix clés de répartition, allant des stratégies de base aux stratégies avancées. Ils couvrent un large éventail de préférences pour les différentes communautés qui peuvent vouloir mettre en œuvre un fonctionnement sur mesure et un partage des bénéfices.Le problème de l'allocation d'énergie est important pour s'assurer que personne n'est économiquement marginalisé. Nous utilisons une étude de cas réelle d'une CE située dans le sud de la France, comprenant sept participants équipés de diverses DER, telles que des solaires photovoltaïques, des batteries et des véhicules électriques. L'énergie allouée par la communauté à chaque membre influence de manière significative leurs factures d'électricité mensuelles. La combinaison d'un EMS basé sur l'optimisation qui maximise le ratio d'autosuffisance et d'une KOR qui optimise la réduction de la facture individuelle donne les résultats les plus favorables en termes d'économies collectives et d'équité (allant de 11 à 19% d'économies).En outre, nous explorons une source de revenus supplémentaire par la participation à d'autres marchés de l'énergie, tels que les services d'équilibrage. Ce manuscrit introduit une optimisation pour évaluer les bénéfices des CE de deux points de vue : i) l'autoconsommation de la production locale et ii) la rémunération provenant de la participation au marché d'équilibre, en particulier pour la réserve manuelle de rétablissement de la fréquence (mFRR). Dans la méthode proposée, un compromis est établi pour trouver l'équilibre optimal entre la gestion de l'énergie de la CE et sa contribution flexible aux services du réseau. Nos résultats indiquent que la participation au marché de l'équilibrage pourrait permettre de réaliser des économies de 4,8 à 13,3%, en fonction des prix d'équilibrage. Fait remarquable, même avec un taux d'activation de 25% et une participation quotidienne de seulement trois heures, des économies significatives de 9,5% peuvent être réalisées.Pour les CE existants, le défi réside dans l'expansion et la sélection des membres à partir d'un pool de candidats. Le processus de sélection repose sur une approche heuristique pour une meilleure explication et une plus grande transparence du point de vue des utilisateurs finaux. La méthode proposée est validée par un EMS plus précis basé sur une optimisation. Les résultats révèlent que l'approche heuristique produit des classements de candidats similaires à ceux de la méthode d'optimisation plus précise. En outre, la méthode proposée sert à la fois d'outil d'aide à la décision d'investissement et de stratégie de sélection pour les CE existants.

In the energy transition era, the need for more sustainable energy solutions is inevitable. It pushes transformations within the energy systems, leading to the adoption of renewable energy and a shift from a centralized architecture toward more decentralized systems. This shift assigns active roles to end-users, as they evolve into ''prosumers.'' These prosumers possess distributed energy resources (DER) to generate energy locally, allowing them to be more independent and reduce their carbon footprint. Local energy communities extend this feature by allowing exchanges and transactions between neighboring end-users.This thesis is based on an industrial PhD with a French start-up company, SWEEN, which plays a role as an operator of renewable energy communities. We focus on the effective management of energy communities (EC) across various dimensions. The primary objective is to achieve collective social welfare while ensuring fairness among members. To address this, we propose a Two-Stage Management Strategy where the first stage investigates the operational control of flexible DERs through energy management strategies (EMS) and the second stage is dedicated to the allocation of community generation to each member using coefficients known as ''keys of repartition'' (KOR). Our analysis encompasses a comprehensive array of forty combinations, ranging from basic to advanced strategies involving four EMS and ten KOR approaches. These various combinations of EMS and KOR are considered to cover a wide range of preferences for communities and participants that may want to implement tailored operations and benefit sharing among participants.The energy allocation problem for a community with many members is important to ensure no one is economically marginalized. Throughout this manuscript, we employ a real case study of an EC situated in the south of France, comprising seven members equipped with varying DERs, such as solar PVs, batteries, and electric vehicles. The allocated energy from the community to each member significantly influences their monthly electricity bills. The combination result of an optimization-based EMS that maximizes the self-sufficiency ratio and a KOR approach that optimizes the individual bill reduction yields the most favorable outcomes in terms of collective savings and fairness (ranging from 11% to 19% saving).Furthermore, we explore an additional revenue stream for ECs to enhance profitability through participation in other energy markets, such as the balancing services. This manuscript introduces an optimization method to assess EC benefits from two perspectives: i) self-consumption of the local generation and ii) remuneration from participation in the balancing market, particularly for manual frequency restoration reserve (mFRR). In the proposed method, a compromise is built to find the optimal trade-off between the energy management of the local EC (self-consumption) and its flexible contribution to grid services. Our findings indicate that participating in the balancing market could yield cost savings of 4.8% to 13.3%, depending on various balancing price scenarios. Remarkably, even with a modest 25% activation ratio and a mere three hours of daily participation, a significant cost saving of 9.5% can be achieved.For existing ECs, the challenge lies in expansion and member selection from a pool of candidates. The proposed selection process relies on a heuristic approach for better explainability and transparency for end-users. The proposed method is then validated through a more accurate optimization-based EMS. The results reveal that the heuristic approach yields similar candidate rankings compared to the more precise optimization method. Moreover, it offers insights into identifying the optimal location (member) to install new DERs that can contribute best to the community. Consequently, the proposed method serves as both an investment decision support tool and a selection strategy for existing ECs.