Thèse Année : 2024

Impact of control strategies of hybrid heat pumps on the greenhouse gases emissions for space heating and domestic hot water production

Impact des stratégies de pilotage des pompes à chaleur hybrides sur les émissions de gaz à effet de serre du chauffage et de la production d'eau chaude sanitaire

Résumé

In France, space heating emits 75 million tons of CO2 annually, accounting for approximately 15% of total emissions. The aim of this thesis was to develop a control strategy for a fleet of hybrid heat pumps (heat pumps coupled with gas boilers) to reduce the French GHG emissions for space heating and domestic hot water production. In a first part, a model of the French power system was developed to assess the marginal emission factor of the electricity consumption. The model is based on two calibrated merit-orders to reproduce the daily and intra-daily dynamics and includes the conservation of hydroelectric energy and cross-border exchanges. In addition, the marginal emission factor of the electricity generation in the other European countries was evaluated by linear regression between the hourly variation of the GHG emission and of the dispatchable electricity generation. In a second part, the electricity and gas consumption of a fleet of 3000 hybrid heat pumps, heating 100 000 dwellings spread throughout France was evaluated. A Modelica-model of a district archetype of 300dwellings was simulated in seven cities representative of the French climatic zones to obtain the national heating demand. Finally, two control strategies and four sizing of the heat pumps (120%, 50%, 35% and 20%) were evaluated. Between July2018 and June 2019, a strategy prioritizing the heat pumps would have avoided between 8 000 and 26 000 tCO2eq of GHG emissions. A strategy switching between the heat pump and the boiler based on the marginal emission factor of the electricity consumption would have avoided around 38 000 tCO2eq, with a limited influence of the sizing of the heat pump.
En France, le chauffage émet 75 millions de tonnes de CO2 par an, soit environ 15 % des émissions totales. L'objectif de cette thèse est de développer une stratégie de contrôle pour un parc de pompes à chaleur hybrides (pompes à chaleur couplées à des chaudières gaz) afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre liées au chauffage et à la production d'eau chaude sanitaire. Dans une première partie, le système électrique français a été modélisé afin d’évaluer le facteur d'émission marginal de la consommation d'électricité. Le modèle est basé sur deux merit-orders calibrés pour reproduire les dynamiques journalières et intra-journalières et inclut la conservation de l'énergie hydroélectrique et les échanges transfrontaliers. Dans une seconde partie, la consommation d'électricité et de gaz d'un parc de 3000 pompes à chaleur hybrides, chauffant 100 000 logements répartis dans toute la France, a été évaluée. Un modèle Modelica d'un quartier de 300 logements a été simulé dans sept villes représentatives des zones climatiques françaises pour obtenir la demande nationale de chauffage. Entre juillet 2018 et juin 2019, une stratégie privilégiant les pompes à chaleur aurait permis d'éviter entre 8 000 et 26 000 tCO2eq d'émissions de GES pour des tailles de pompe à chaleur variant entre 120 et 20% du dimensionnement du système. Une stratégie activant alternativement les pompes à chaleur ou les chaudières en fonction du facteur d'émission marginal de la consommation d'électricité aurait permis d'éviter environ 38 000 tCO2eq, le dimensionnement de la pompe à chaleur ayant un impact très faible sur ce résultat.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04906693 , version 1 (22-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04906693 , version 1

Citer

Marianne Biéron. Impact of control strategies of hybrid heat pumps on the greenhouse gases emissions for space heating and domestic hot water production. Thermics [physics.class-ph]. Université de La Rochelle, 2024. English. ⟨NNT : 2024LAROS008⟩. ⟨tel-04906693⟩
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