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THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE DE NANTES ECOLE DOCTORALE N° 601 Mathématique

THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE DE NANTES ECOLE DOCTORALE N° 601 Mathématiques et Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication Spécialité : Génie électrique « Prévision à court terme et gestion des consommations d'énergie électrique dans l’habitat » Thèse présentée et soutenue à Saint Nazaire, le 25 Juin 2020 Unité de recherche : Institut de Recherche en Energie Electrique de Nantes Atlantique (IREENA) Par « Imane IHSANE » Rapporteurs avant soutenance : M. Vincent DEBUSSCHERE Maître de Conférences HDR, Université de Grenoble Alpes M. Jean-Charles LE BUNETEL Professeur des Universités, IUT Tours Composition du Jury : Examinateur : M. Quoc Tuan TRAN Professeur, Université Paris-Saclay Dir. de thèse : M. Patrick GUERIN Professeur des Universités, IUT Saint-Nazaire Encadrantes : Mme. Nadia AIT-AHMED Maître de conférences, Polytech Nantes Mme. Laurence MIEGEVILLE Maître de conférences, Polytech Nantes Invité M. Hamid BEN AHMED Maître de Conférences HDR, ENS RENNES 1 2 Dédicaces A ma famille A tous ceux que j’aime, et à tous ceux qui me sont chers Je dédie ce travail… 3 4 Remerciements Tout d'abord, mes remerciements s'adressent aux personnes qui m'ont proposées ce sujet de thèse et qui m'ont encadré tout au long de la période de doctorat : Je remercie mon directeur de thèse, Monsieur Patrick GUERIN, pour son professionnalisme, son soutien et surtout ses judicieux conseils et remarques qui ont contribué à alimenter mes réflexions et aussi pour l’opportunité qu’il m’a offerte de réaliser mes premières expériences d’enseignement au sein de l’IUT de Saint Nazaire. Je lui suis éminemment reconnaissante d’avoir accompagné mes premiers pas dans le métier d’enseignent-chercheur. Un grand merci également à mes encadrantes Mme Nadia AIT AHMED et Mme Laurence MIGEVILLE pour leur réactivité et leur gentillesse. Merci de m’avoir accompagnée et soutenue tout au long de ce doctorat. J’ai vraiment eu beaucoup de plaisir à travailler avec vous toutes ces années et je pense que vous m’avez beaucoup apporté. Je souhaite ensuite exprimer ma reconnaissance à l'ensemble des membres du jury : Je remercie Monsieur Quoc Tuan TRAN, qui a accepté de présider mon jury, ainsi qu’à Monsieur Jean-Charles LE BUNETEL et Monsieur Vincent DEBUSSCHERE qui ont accepté d’être rapporteurs de ce mémoire. Merci également au membre invité Monsieur Hamid BEN AHMED pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail. Je tiens également à exprimer ma gratitude au laboratoire IREENA, au sein duquel j’ai pu travailler dans de bonnes conditions et j’en remercie tous les membres : Enseignants-chercheurs, ingénieurs, post-doctorants, doctorants, personnel administratif et technique. Je souhaite également présenter mes remerciements à Monsieur Marc POULY, Directeur école d'ingénieurs CESI de Saint Nazaire ainsi qu’à tous mes collègues pour leur encouragement et leur soutien. J’ai évidemment une pensée pour toutes celles et ceux qui m’ont permis de mener à bien cette thèse, à savoir ma famille et mes ami(e)s. Un grand merci à eux de m’avoir donné la confiance ainsi que le soutien nécessaire à la thèse, et d’avoir été les premiers à me motiver dans les moments les plus difficiles. Du fond du cœur, merci à tous. 5 6 Table des matières Liste des figures ..................................................................................................................................... 9 Liste des tableaux ................................................................................................................................ 13 Introduction générale .......................................................................................................................... 14 Chapitre I. Contexte énergétique ................................................................................................... 19 1. Introduction ........................................................................................................................... 19 2. Contexte énergétique ............................................................................................................. 19 2.1. Evolution de la consommation électrique ......................................................................... 19 2.2. Transition énergétique ....................................................................................................... 23 3. Problématiques liées aux pics de consommation .................................................................. 25 3.1. Définition ........................................................................................................................... 25 3.2. Conséquences des pics de consommation vues du réseau de transport / distribution ....... 26 4. Qui consomme le plus d’énergie en France ? ........................................................................ 32 4.1. Répartition sectorielle de la consommation électrique ...................................................... 32 4.2. Déterminants de la consommation énergétique domestique ............................................. 34 5. Positionnement des travaux de thèse ..................................................................................... 35 5.1. Positionnement national .................................................................................................... 36 5.2. Positionnement international ............................................................................................. 42 6. Cahier des charges ................................................................................................................. 44 6.1. Contexte et objectifs de la thèse ........................................................................................ 44 6.2. Système d’alimentation électrique dans l’habitat .............................................................. 46 7. Conclusion ............................................................................................................................. 48 Chapitre II. Etat de l’art des méthodes de prévision ..................................................................... 51 1. Introduction ........................................................................................................................... 51 2. Définitions ............................................................................................................................. 51 2.1. Qu’est-ce qu’une « prévision » ? ....................................................................................... 51 2.2. Horizons temporels de prévision ....................................................................................... 51 2.3. Indicateurs de la qualité de la prévision ............................................................................ 53 3. Méthodes de prévision ........................................................................................................... 54 3.1. Méthodes déterministes ..................................................................................................... 55 3.2. Méthodes probabilistes ...................................................................................................... 58 3.3. Méthodes fondées sur l’Intelligence Artificielle ............................................................... 64 3.4. Comparatif des méthodes de prévision .............................................................................. 74 4. Conclusion ............................................................................................................................. 76 Chapitre III. Analyse des données de consommation électrique dans l’habitat ........................... 78 1. Introduction ........................................................................................................................... 78 2. Analyse temporelle ................................................................................................................ 78 2.1. Consommation électrique régionale .................................................................................. 79 2.2. Consommation électrique d’un habitat individuel ............................................................. 83 3. Analyse statistique des profils ............................................................................................... 91 3.1. Répartition statistique des données ................................................................................... 91 3.2. Application au profil de charge d’un habitat individuel .................................................... 95 7 4. Etude de corrélations ............................................................................................................. 98 4.1. Définition des outils mathématiques. ................................................................................ 98 4.2. Influence des paramètres météorologiques ...................................................................... 104 4.3. Influence des historiques de consommation .................................................................... 108 5. Conclusion ........................................................................................................................... 113 Chapitre IV. Implémentation du modèle de prévision ................................................................. 115 1. Introduction ......................................................................................................................... 115 2. Approche théorique ............................................................................................................. 115 2.1. Structure du Perceptron Multicouches (PMC) ................................................................ 116 2.2. Modélisation du réseau de neurones type PMC .............................................................. 117 2.3. Mise en œuvre de l’algorithme de rétropropagation........................................................ 124 3. Application au niveau régional ............................................................................................ 130 3.1. Définition de l’architecture du réseau ............................................................................. 130 3.2. L’entraînement du réseau ................................................................................................ 132 3.3. Exploitation à la prévision des consommations .............................................................. 134 4. Application au niveau d’un habitat individuel .................................................................... 135 4.1. Prévision de la consommation électrique des appareils électrodomestiques ................... 135 4.2. Prévision de la consommation du chauffage électrique .................................................. 141 5. Qualité de la prévision ......................................................................................................... 144 5.1. Au niveau régional .......................................................................................................... 144 5.2. Au niveau résidentiel : habitat individuel ........................................................................ 145 6. Conclusion ........................................................................................................................... 149 Chapitre V. Etat de l’art des méthodes de gestion de la consommation électrique résidentielle …………………………………………………………………………………………………..152 1. Introduction ......................................................................................................................... 152 2. Enjeux de la gestion des charges électriques ....................................................................... 153 2.1. Usage de l’électricité dans l’habitat................................................................................. 154 2.2. Besoin en énergie dans le bâtiment résidentiel ................................................................ 155 2.3. Les charges les plus appropriées pour une gestion .......................................................... 158 3. Méthodes de gestion indirecte ............................................................................................. 159 3.1. Campagnes de sensibilisation à la transition énergétique................................................ 159 3.2. Tarification dynamique ................................................................................................... 159 3.3. Programmes de gestion de charges électriques ............................................................... 161 4. Méthodes de gestion directe ................................................................................................ 163 4.1. Méthodes classiques ........................................................................................................ 165 4.2. Méthodes basées sur des règles ....................................................................................... 167 4.3. Méthodes basées sur des algorithmes d’optimisation ...................................................... 169 4.4. Méthodes préventives ...................................................................................................... 170 4.5. Comparatif et verrous des méthodes de gestion .............................................................. 171 5. Conclusion ........................................................................................................................... 173 Chapitre VI. Implémentation d’une stratégie de gestion de la consommation électrique dans l’habitat………………………………………………………………………………………………175 1. Introduction ......................................................................................................................... 175 2. Méthodologie proposée pour la gestion des consommations électriques ............................ 175 2.1. Structure générale ............................................................................................................ 175 2.2. Classification des charges d’un habitat individuel .......................................................... 177 8 2.3. Allocation des priorités des charges électriques .............................................................. 178 2.4. Traitement des priorités des charges ............................................................................... 182 3- Mise en œuvre et résultats de simulation ............................................................................ 185 3.1. Description du cas d’application ..................................................................................... 185 3.2. Consommation électrique sans gestion des charges électriques ...................................... 187 3.3. Cas des radiateurs seuls ................................................................................................... 189 3.4. Cas des charges électrodomestiques seules ..................................................................... 192 3.5. Cas de l’ensemble des charges électriques ...................................................................... 197 3.6. Application de l’algorithme de gestion sous une puissance restante plus restrictive ...... 201 4- Conclusion ........................................................................................................................... 204 Chapitre VII. Apport de la prévision à la gestion de la consommation électrique ...................... 207 1. Introduction ......................................................................................................................... 207 2. Association de la Prévision à la Gestion de la consommation électrique (APG) ................ 207 2.1. Définition de la problématique ........................................................................................ 207 2.2. Structure générale de l’algorithme APG ......................................................................... 208 2.3. Principe de fonctionnement ............................................................................................. 209 3. Mise en œuvre et résultats de simulation ............................................................................ 213 3.1. Application de la méthode APG avec un horizon de prévision = 1 minute .................... 214 3.2. Application de la méthode APG avec un horizon de prévision = 16 minutes ................. 218 4. Conclusion ........................................................................................................................... 223 Conclusion générale & Perspectives ................................................................................................ 224 Annexes ……………………………………………………………………………………………...227 Références bibliographiques............................................................................................................. 253 9 Liste des figures Figure I-1 Consommation d'énergie mondiale en 2016 [CE-18] .......................................................... 20 Figure I-2 Scénario d’évolution de la population mondiale [CE-18] .................................................... 21 Figure I-3 Répartition de la consommation énergétique française en 2017 ......................................... 21 Figure I-4 Evolution de la consommation d'électricité en France [RT-18] ........................................... 22 Figure I-5 Taux de croissance annuel moyen de la consommation d’électricité par décennie ............. 22 Figure I-6 Evolution des taux de croissance annuels de la demande électrique et du PIB [RT-16] ...... 23 Figure I-7 Schéma comparatif des caractéristiques d’un réseau « classique » et d’un réseau « intelligent » ......................................................................................................................................... 24 Figure I-8 Exemple d’une courbe de consommation électrique française journalière en été 2015 et hiver 2016 [RTE] ............................................................................................................................................ 25 Figure I-9 Niveaux de tension dans le réseau électrique français ......................................................... 27 Figure I-10 (a) Courbe de régulation de charge (b) Modèle simplifié de réseau sur ligne inductive .... 29 Figure I-11 Production nette d’électricité en France [RT-18] ............................................................... 30 Figure I-12 Courbe de l’offre uploads/Geographie/ ihsane 1 .pdf