Intégration dynamique des comportements humains au sein des ménages pour la scénarisation de la Transition énergétique et climatique du secteur résidentiel

Dynamic integration of human behaviours within households for Energy and Climate Transition scenarios of the residential sector

• Auteur / Autrice : Mona Moussawel
• Direction : Pascal Stabat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 25/01/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CEEP - Centre Energie, Environnement, Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation électrique résidentielle

Énergétique du bâtiment

Courbe de charge

Systèmes multi-agents

Analyse prospective des usages

Residential electricity modelling

Building energy

Load curve

Multi-agent systems

Prospective end-uses analysis

Résumé

Contexte Le paysage énergétique est aujourd'hui en pleine mutation, impacté à plusieurs titres par des évolutions structurelles, environnementales et géopolitiques : développement des énergies renouvelables, électrification de certains usages (mobilité électrique, chauffage et climatisation), évolution du contexte climatique qui provoque des besoins énergétiques plus intense et impacte également les capacités de production d'électricité et instabilité et renchérissement du coût des énergies fragilisant la fourniture aux consommateurs, notamment en été et en hiver. En conséquence de cette situation sans précédent, les consommateurs devront s'adapter et sont appelés à moduler leur demande en énergie pour contribuer à la disponibilité et à la qualité de la fourniture en électricité à l'échelle locale et nationale. Cette adaptation peut être réalisée au travers d'actions de flexibilité (modulation de la puissance appelée, décalages d'usages, effacements) lors des moments de tensions, ou encore au travers d'une démarche globale de sobriété énergétique, au moyen de pilotage d'équipements ou d'actions comportementales. Dans ce contexte, la quantification des appels de puissance actuels et l'évaluation des appels de puissance futurs à grande échelle et selon des scénarios non tendanciels, prenant en considération les évolutions technologiques comme comportementales, est une nécessité pour analyser et mettre en œuvre les meilleures stratégies pour atteindre les objectifs de flexibilité ou sobriété nécessaires pour garantir l'équilibre offre demande. Cette problématique a été historiquement analysée en silos : étude du bâti et des systèmes pour l'évaluation des consommations de thermiques (chauffage, ECS, climatisation), modélisation des usages spécifiques de l'électricité, ou encore modélisation de l'activité humaine et des comportements au sein des logements. La littérature souligne la capacité des systèmes multi-agents pour représenter la flexibilité, la complexité, la dynamique et le caractère émergent de l'activité individuelle et collective, et le fait que ces modèles facilitent l'intégration de connaissance et facteurs ergonomiques, psychologiques et sociologiques dans la simulation des consommations d'énergie. Du côté du volet technologique de l'estimation des consommations en énergie et en puissance, le paradigme de modélisation bottom-up techno-explicite a montré sa capacité à quantifier des scénarios de prévision de la demande qui sont de plus en plus des scénarios de rupture. Une intégration poussée entre les modèles techno-explicites et les aspects comportementaux décrits ci-dessus est une nécessité pour une représentation correcte des appels de puissance dans le résidentiel (notamment la représentation des pics de consommation du matin et du soir). Objectifs Tout en s'appuyant sur les résultats obtenus dans le cadre des travaux en cours, cette thèse a pour objectif de dépasser les limites identifiées dans les approches de modélisation actuelles, en passant d'une modélisation en silo des grands domaines de l'énergétique des bâtiments résidentiels (bâti, systèmes et leur régulation, occupants) à une simulation intégrée, où le comportement des habitants dans les logements est pris en compte de manière endogène, tout en rendant cette approche adaptée à la grande échelle (représentation de courbes de charges à l'échelle nationale). Cette intégration se heurte à la fois à des verrous scientifiques méthodologiques de modélisation et de validation, ainsi qu'à des verrous technologiques de simulation. Il s'agit de répondre plus spécifiquement aux enjeux suivants : • Améliorer la prévision des appels de puissance et des consommations d'énergie dans le secteur résidentiel à petite et à grande échelle (de l'échelle du consommateur individuel jusqu'à échelle nationale) • Proposer un outil permettant de décliner en puissance des scénarios de rupture selon les axes bâti (ex : rénovation), systèmes (ex : développement du marché de la PAC), équipements électriques du logement (électroménager, TIC…), comportements (ex : sobriété, flexibilité) et tarifaires (offres de fourniture adaptées à un monde sobre et flexible) Cette proposition de thèse vise ainsi au rapprochement des quatre domaines constitutifs de la consommation d'énergie des ménages : la représentation du bâti, la représentation des systèmes de chaud et froid et leur régulation, la représentation des usages spécifiques de l'électricité et de la cuisson, et la représentation du comportement des occupants. L'objectif principal est d'intégrer de manière cohérente ces quatre dimensions sous la forme d'un simulateur intégré des appels de puissance dans le secteur résidentiel, capable d'adresser conjointement les différents verrous relatifs à ces quatre domaines. Verrous scientifiques et approche méthodologique Les verrous scientifiques et technologiques suivants ont été identifiés • Une première difficulté est relative à la modélisation des usages spécifiques de l'électricité. Celle-ci nécessite un rapprochement fort entre : la modélisation dynamique de l'activité des occupants au sein de leur logement, la qualification des équipements utilisés pour telle ou telle activité et le séquencement de leur utilisation au sein d'une tâche et l'intensité d'utilisation associée (cette qualification étant un verrou en soi), la définition des caractéristiques de ces appareils de manière pertinente au regard de l'échelle d'analyse (distribution des puissances unitaires). Lever cette difficulté implique une analyse statistique détaillée d'enquêtes et de campagnes de mesures relatives à l'utilisation des équipements. • Une deuxième difficulté réside dans l'identification du bon niveau de granularité des modèles thermiques de bâtiment (servant à l'évaluation de la demande en chaleur et en froid, et qui peuvent également impacter la consommation d'Eau Chaude Sanitaire ou le confort des occupants). Des travaux en cours au CES et EDF R&D ont mené à des choix de modélisation adaptés à la reconstitution de courbes de charge de chauffage à l'échelle nationale. Il s'agit désormais de gérer le passage multi-échelle c'est-à-dire permettre une reconstitution des appels de puissance et des consommations à des échelles variées, de l'échelle du logement (qui doit rester cohérente) jusqu'à l'échelle nationale (qui doit être juste), tout en garantissant une précision suffisante des températures intérieures et des puissances calculées. • Une troisième difficulté réside dans la manière de faire évoluer des règles comportementales au sein du modèle multi-agents SMACH développé par EDF R&D afin de représenter des scénarios de comportements futurs que l'on souhaite explorer. Il s'agit notamment de déterminer si et comment cela doit modifier la temporalité des activités humaines ou les processus de décision des agents et d'en quantifier les impacts énergétiques. Enfin, une dernière difficulté réside dans le couplage de ces différents domaines et dans la mise en place de simulations efficaces. Ce verrou devra être exploré suivant plusieurs approches : co-simulation (basée sur des standards d'interopérabilité tels que le standard FMI/Functional Mock-up Interface afin de garantir l'évolutivité des modèles et la pérennité du couplage), méta-modèles intermédiaires… Dans un premier temps, il s'agira de s'approprier les travaux existants sur les différents domaines de la thèse : modélisation dynamique des bâtiments et systèmes, modélisation multi-agents (plateforme de simulation SMACH d'EDF R&D), modélisation des usages spécifiques de l'électricité. Le doctorant réalisera plus spécifiquement une analyse bibliographique sur les modèles couplant simulation agents et modélisation dynamique du bâti et des systèmes, ainsi que sur les méthodologies de passage à l'échelle, de calcul de courbes de charge à une échelle nationale, et de représentativité statistique des résultats à grande échelle. Il analysera également la pertinence et disponibilité des données nécessaires pour paramétrer les modèles de ce type. Il formulera ensuite une proposition méthodologique pour la construction d'une simulation intégrant les aspects comportementaux et technologiques de manière endogène et multi-échelles, simulation qui sera développée durant la thèse. Enfin, l'identification des paramètres d'intérêt, leur priorisation et le choix d'un exemple d'intérêt mènera à la conception d'un premier prototype informatique. La cohérence à petite échelle et la validité à grande échelle de la reconstitution des courbes de charge sera étudiée par comparaison aux données de courbes de charge et consommation d'énergie publiques et/ou EDF identifiées lors de la 1ère année. Ce travail de modélisation conduira à des propositions d'extension du modèle et de validation continue. Enfin, le doctorant proposera et étudiera 3 scénarios d'application des modèles développés, en lien avec les besoins métiers et le contexte actuel du paysage énergétique. Ces scénarios pourront notamment consister en l'étude : • De rénovations massives du parc de logements combiné à une pénétration massive des pompes à chaleur et du véhicule électrique ; • De scénarios d'impact d'actions de sobriété et de flexibilité demandées aux occupants des logements via des sollicitations variées (tarifs fixes ou TOU, pilotage dynamique) construits sur la base d'enquêtes réalisées par EDF; • De scénarios d'impact de nouvelles tarifications de l'énergie (tarification dynamique par exemple). Résultats attendus. Les résultats attendus de la thèse consistent donc en la proposition méthodologique pour la construction d'une simulation intégrant les aspects comportementaux et technologiques de manière endogène et multi-échelles. La validation (autant que faire se peut) de la méthode s'appuyant sur des jeux de données existants et déjà identifiés fait partie intégrante des résultats attendus de la thèse Enfin, il est attendu que cette proposition se concrétise dans le développement d'un outil informatique permettant l'analyse de scénarios inspirés par les besoins du métier et le contexte énergétique.

Context and objectives The assessment of the current and future power demand on a large scale and according to non-trend scenarios, taking into account technological and behavioural evolutions, is a necessity to analyse and implement the best strategies to achieve the flexibility or sobriety objectives for ensuring the supply-demand balance. This thesis aims at overcoming the limitations identified in the current modelling approaches, by moving from a siloed modelling of the main domains of the residential building energy modelling (building, systems and their regulation, occupants) to an integrated simulation, where the behaviour of the inhabitants in the dwellings is taken into account in an endogenous way, while making this approach adapted to the large scale (representation of load curves at the national scale). This integration faces both scientific methodological barriers in modelling and validation, as well as technological barriers in simulation. The aim is therefore to improve the forecasting of power loads and energy consumption in the residential sector at different scales (from the individual consumer to the national scale) and to propose a tool that will enable to assess disruptive scenarios by taking into consideration the representations of the building, heating and cooling systems and their control, the specific uses of electricity and cooking, and the behaviour of the occupants. The main objective is to integrate these four dimensions in a coherent way in the form of an integrated simulator of power loads in the residential sector. Approach and expected outcomes Initially, the existing work on the different domains of the thesis will be reviewed and appropriated: dynamic modelling of buildings and systems, multi-agent modelling (EDF R&D's SMACH simulation platform), and modelling of specific electricity usages. The PhD student will perform a literature analysis on modelling approaches that couple agent simulation and dynamic modelling of buildings and systems, as well as on methodologies for scaling, processing load curves at a national scale, and statistical representativeness of results on a large scale. The relevance and availability of the data required to parameterize such models will also be analysed. Next, the PhD student will propose a methodological approach for the construction of a simulation that integrates behavioural and technological aspects in an endogenous and multi-scale manner, and this simulation will be developed during the thesis. Finally, the identification of the parameters of interest, their prioritization, and the choice of an interesting example will lead to the design of a first numerical prototype. The coherence at a small scale and the validity at a large scale of the load curve reconstruction will be studied by comparison with public load curve and energy consumption data identified during the first year. This modelling work will lead to the proposals for model extension and ongoing validation. Finally, the PhD student will propose and study three scenarios for the application of the developed models, in connection with business needs and the current context of the energy landscape. The expected results of the thesis therefore consist in the methodological proposal for the construction of a simulation that integrates behavioural and technological aspects in an endogenous and multi-scale manner. The validation (as far as possible) of the method based on existing and already identified datasets is an integral part of the expected results of the thesis. Finally, it is expected that this proposal will be concretized in the development of a computer tool allowing the analysis of scenarios inspired by the needs of the business and the energy context.