Modélisation dynamique et chaleur renouvelable

Qu’est-ce que la modélisation dynamique ?

C’est une opération par laquelle on établit la représentation d’un système complexe (système physique ou concept), afin d’étudier et de mesurer les effets sur ce système des variations de certains éléments ou paramètres clés du système.

Les modèles dynamiques de systèmes énergétiques

Les systèmes de production de chaleur renouvelable  sont des systèmes dynamiques (vous pouvez consulter notre article dédié à cette forme d’énergie ici) . En effet, la grande variabilité de la ressource solaire, couplée à la variabilité de la demande de chaleur, rendent nécessaire une approche dynamique de modélisation, plus précise qu’une approche statique mais aussi plus complexe. Elle est nécessaire notamment pour les composants dont l’inertie thermique n’est pas négligeable (champ solaire, tuyauteries, stockage, …).

Les modèles dynamiques sont nommés ainsi parce qu’ils décrivent comment les propriétés du système changent avec le temps, et utilisent souvent des équations différentielles.

Une partie de ces équations n’a pas de solution analytique et nécessite donc une résolution numérique qui approche la solution exacte à intervalles réguliers. Les variables continues du système réel sont alors évaluées de manière discrète par la simulation, c’est à dire pour un nombre fini d’instants.

Les modèles numériques ainsi développés (c’est à dire spécifiés, programmés, testés…) sont ensuite mis en œuvre via des logiciels pour effectuer des calculs permettant de prédire ou d’évaluer les performances des systèmes représentés. Si ces calculs décrivent l’évolution du système dans le temps, on parle alors de simulation dynamique.

Courbes d’ensoleillement / demande de chaleur d’un procédé industriel sur sept jours consécutifs

Grandeurs et phénomènes à représenter

Pour représenter finement les performances des installations de production de chaleur renouvelable, il faut pouvoir prédire les flux de chaleur, les débits, pressions, et températures des fluides caloporteurs, ainsi que les consommations auxiliaires (pompes, trackers, systèmes de refroidissement…) tout au long de l’année.

Les principaux phénomènes régissant les centrales de production de chaleur renouvelable concernent les domaines de la thermique (bilans de masse et d’énergie) et de l’hydraulique (calculs de pertes de charge, performance des pompes). Des relations géométriques et optiques sont aussi utilisées pour estimer l’énergie solaire incidente sur les capteurs à partir de la ressource solaire disponible et de la configuration du champ solaire.

A quoi sert la modélisation dynamique  ?

La modélisation utile à toutes les étapes d’un projet de chaleur renouvelable

Voici toutes les étapes de développement des projets où la modélisation peut intervenir :

• Etudes d’opportunité / de faisabilité
• Conception / Ingénierie de détail
• Exploitation (vers l’optimisation de la conduite des installations par de la détection et du diagnostic de défauts)

Ses usages principaux sont notamment :

• Estimation de la performance d’une configuration donnée : en plus de la production annuelle de chaleur, les outils de modélisation permettent d’estimer de nombreux indicateurs techniques et économiques de l’installation (e.g., taux de surchauffe, coût de chaleur, …)
• Etudes paramétriques: pour dimensionner les différentes composantes d’une installation (taille du champ solaire, volume des stockages, puissances des pompes à chaleur…)
• Etudes de variantes en ingénierie détaillée : création de sous-champs solaire en fonction de contraintes de terrain, caractéristiques des points d’intégration dans le procédé client, choix de pilotage…
• Etudes des performances réelles des centrales en exploitation : identification de sous performances, optimisation de la conduite de l’installation…

Chez Newheat, en plus de ses missions liées aux besoins listés ci-dessus, l’équipe modélisation est au support de l’entreprise et s’adapte en permanence pour répondre aux besoins rencontrés par les équipes de développement et d’exploitation.

Les installations de production de chaleur renouvelable multi-sources, nouveaux concepts, nouveaux enjeux

Depuis plusieurs années, Newheat sait modéliser, construire et exploiter des centrales solaires thermiques avec stockage. Face à la nécessité d’augmenter la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique, il est indispensable de proposer des systèmes de production de chaleur multipliant les sources de chaleur renouvelable et les points d’intégration. Pour pouvoir concevoir, construire et exploiter ces installations complexes, Newheat s’est doté d’outils de modélisation capables de représenter avec précision :

• De nouveaux composants: pompes à chaleur, chaudières biomasse, échangeurs de récupération, stockages saisonniers de type stockage en fosse ou sondes géothermiques, producteurs non solaires…
• De nouveaux modes de pilotage: arbitrages entre producteurs, entre producteurs et stockage, entre consommateurs….

La modélisation dynamique chez Newheat

Depuis les débuts de l’entreprise, les activités de modélisation sont au cœur du savoir-faire de Newheat, construit sur une stratégie R&D ambitieuse et sur un fort ADN technique.

Ces activités ont permis le développement en interne d’outils à la pointe du domaine, adaptés à toutes les étapes d’un projet de centrale de production de chaleur renouvelable : depuis le screening rapide d’architectures de centrales adaptées à une grande variété de besoins, jusqu’au développement de jumeaux numériques d’installations existantes ou en phase d’ingénierie de détail.

Ces activités de modélisation reposent sur un process de développement selon les meilleurs standards de développement d’outils informatiques, afin de garantir la robustesse des modèles, leur fiabilité et leur versatilité.

Elles bénéficient de collaborations avec des partenaires venant d’horizons multiples (développeurs de logiciels, spécialistes de contrôle-commande, fournisseurs de technologie, chercheurs internationaux…) grâce à la participation de Newheat à des comités d’experts (tâches de l’Agence Internationale de l’Energie) et de normalisation. Par ailleurs, ces activités sont largement soutenues au niveau national par l’ADEME, au travers notamment des programmes Scale&Mix (2018-2021) et Thermodeep (lauréat du concours i-Nov, 2021-2024).

Découvrez en plus sur l’équipe Modélisation en visualisant l’interview vidéo de notre responsable scientifique ici.

Besoin d’informations complémentaires sur la modélisation dynamique des systèmes de production renouvelable ? Notre équipe d’experts se rend disponible pour répondre à vos questions !