Optimal Sizing of ESS and PV Systems in the CCHP Milad Tower Complex (MTC) Microgrid Considering Load Management and Carbon Trading

Dans le monde moderne, l'électricité est rarement une simple commodité circulant dans une seule direction. C'est un équilibre dynamique entre ce qui est généré, ce qui est nécessaire et la manière dont cette énergie est stockée pour un usage ultérieur. À mesure que les villes deviennent plus complexes, le défi ne consiste plus seulement à construire davantage de centrales électriques, mais à gérer un réseau plus intelligent et plus flexible. C'est là que le concept de micro-réseau devient essentiel. Considérez un micro-réseau comme un système énergétique de quartier autonome, capable de fonctionner indépendamment ou de se connecter au réseau national principal. Au sein de ces systèmes, les sources renouvelables comme les panneaux solaires offrent une énergie propre, mais elles comportent un inconvénient : le soleil ne brille pas la nuit, et des nuages peuvent apparaître de manière inattendue. Pour rendre l'énergie solaire fiable, les ingénieurs la couplent à des systèmes de stockage d'énergie, qui sont essentiellement de grosses batteries captant l'excédent de puissance lorsque le soleil est brillant et la libérant lorsque la demande augmente. Lorsque ces éléments sont combinés à une planification avancée et à des outils financiers tels que le commerce des quotas d'émission de carbone, ils peuvent transformer la façon dont un bâtiment ou un complexe consomme l'énergie, transformant un simple utilisateur de puissance en un centre énergétique intelligent et efficace.

Des chercheurs de l'Université technique et professionnelle de Téhéran, en Iran, ont appliqué ces concepts à un lieu réel très spécifique et exigeant : le complexe de la tour Milad. Cette structure massive n'est pas seulement une tour unique, mais une véritable ville dans la ville, abritant un hôtel, un centre de congrès, des restaurants et un parc informatique. Elle représente une charge lourde et continue sur le réseau électrique, avec des besoins énergétiques qui fluctuent considérablement tout au long de la journée. L'équipe, dirigée par Shahriar Abbassi, s'est donné pour mission de déterminer la taille parfaite des panneaux solaires et du stockage par batterie pour servir ce complexe. Ils ne se sont pas contentés de regarder la taille de l'équipement ; ils ont construit un modèle informatique sophistiqué qui simule l'année entière, équilibrant les coûts d'investissement à long terme avec les décisions opérationnelles quotidiennes. Crucialement, leur modèle incluait deux stratégies puissantes souvent négligées dans une planification simple : la gestion de la charge et le commerce des quotas d'émission de carbone. La gestion de la charge consiste à déplacer l'utilisation de l'énergie vers des moments moins coûteux, tandis que le commerce des quotas permet au complexe de gagner de l'argent en réduisant sa pollution, créant ainsi une incitation financière à être plus propre.

Les chercheurs ont découvert que l'installation de panneaux solaires et de batteries ne suffisait pas à maximiser l'efficacité. La véritable percée est venue de l'intégration de ces technologies à un calendrier intelligent d'utilisation de l'énergie. En gérant la charge, le complexe pouvait lisser son pic de demande, évitant ainsi les heures d'utilisation de l'électricité les plus coûteuses. Dans leurs simulations, cette approche a réduit la différence entre les périodes de consommation d'énergie les plus hautes et les plus basses de près de moitié. Lorsqu'ils ont ajouté le mécanisme de commerce des quotas d'émission, les résultats sont devenus encore plus convaincants. Le modèle a montré qu'en générant des revenus grâce à la vente de crédits carbone, le complexe pouvait justifier l'installation d'une capacité solaire encore plus grande. Cela a créé un cercle vertueux : plus de panneaux solaires signifiaient une moindre dépendance aux combustibles fossiles, ce qui générait plus de crédits carbone, lesquels finançaient à leur tour l'expansion du système renouvelable.

L'impact financier de cette approche intégrée a été significatif. Dans le scénario de base sans ces optimisations, le complexe faisait face à un coût net annuel de plus de 6 305 millions de dollars. En mettant en œuvre le mélange optimal de solaire et de stockage par batterie, parallèlement à la gestion de la charge et au commerce des quotas, les chercheurs ont calculé que ce coût pourrait chuter à un peu plus de 4 107 millions de dollars par an. Cela représente une réduction de près de 35 pour cent. L'étude a également révélé que l'investissement dans ces nouveaux systèmes serait rentabilisé bien plus rapidement que les méthodes traditionnelles. Le temps nécessaire pour récupérer les coûts d'investissement initiaux est passé de près de sept ans à un peu plus de cinq ans, tandis que le retour sur investissement augmentait considérablement. Cela suggère que pour les installations de grande envergure et énergivores, la voie la plus économique ne consiste pas seulement à acheter plus d'équipement, mais à acheter la bonne quantité d'équipement et à le gérer avec une stratégie qui valorise à la fois le temps et l'impact environnemental.

Au-delà des chiffres, l'étude a souligné comment ces changements stabilisent l'ensemble du réseau électrique. En lissant la courbe de la demande, le micro-réseau réduit la tension sur le réseau électrique en amont, particulièrement lors des heures de pointe où le système est le plus sollicité. Les batteries agissent comme un tampon, absorbant l'excédent d'énergie solaire pendant la journée et la libérant lorsque le soleil se couche et que la demande grimpe. Cette coordination signifie que le complexe dépend moins de l'achat d'électricité coûteuse auprès du réseau principal et peut même revendre son propre surplus d'énergie à des moments rentables. Le côté thermique de l'équation a également été optimisé, le système de cogénération du complexe fonctionnant plus efficacement pour fournir à la fois l'électricité et le chauffage ou le refroidissement. Les chercheurs ont démontré qu'une approche à deux niveaux fonctionne le mieux : une couche de planification à long terme qui décide de la quantité de solaire et de stockage à installer, et une couche d'exploitation à court terme qui gère le flux d'énergie minute par minute. Cette double stratégie garantit que l'infrastructure physique est dimensionnée correctement sur le long terme, tandis que les opérations quotidiennes tirent le maximum de valeur du système.

En fin de compte, le travail réalisé au complexe de la tour Milad sert de preuve de concept pour l'avenir de l'énergie urbaine. Il montre que la voie vers un approvisionnement énergétique durable et abordable réside dans la coordination intelligente de la production, du stockage et de la demande. L'étude confirme que lorsqu'une installation traite l'énergie comme une ressource flexible plutôt que comme un coût fixe, elle peut réaliser des économies spectaculaires et réduire son empreinte environnementale. Les conclusions suggèrent que des complexes similaires à grande échelle dans le monde pourraient reproduire ce succès, à condition qu'ils soient prêts à adopter une vision holistique combinant l'ingénierie, l'économie et la politique environnementale. Le résultat est un système qui est non seulement moins coûteux à exploiter, mais aussi plus résilient et stable, offrant un schéma directeur clair sur la façon dont les villes peuvent s'alimenter en énergie à une époque de changement climatique et de hausse des coûts de l'énergie.