Optimisation des systèmes photovoltaïques pour les maisons à consommation énergétique nette zéro
par Riko Seibo
Tokyo, Japon (SPX) 29 juillet 2024
Les bâtiments résidentiels contribuent de manière significative à la consommation énergétique mondiale, ce qui incite de nombreux pays à rechercher des options efficaces face à la crise énergétique actuelle. Une approche prometteuse consiste à rendre les maisons autonomes en produisant leur électricité à l’aide de systèmes photovoltaïques (PV).
L’un des défis courants de la promotion des systèmes photovoltaïques dans les zones résidentielles est de déterminer la taille optimale des panneaux solaires et des batteries pour chaque maison. Même si cela peut paraître easy, trouver la meilleure resolution pour de nombreuses maisons devient rapidement une tâche de calcul exigeante. Cette complexité augmente encore lorsque l’on prend en compte des facteurs incertains comme les variations du rayonnement solaire moyen, les schémas de consommation d’énergie et le partage potentiel de l’énergie entre les maisons.
Pour résoudre ce problème d’optimisation, une équipe de recherche japonaise, dont fait partie le professeur Takeshi Hatanaka de l’Institut de technologie de Tokyo, a mis au level une nouvelle méthode efficace. Leur approche, détaillée dans un article publié dans IEEE Entry le 6 juin 2024, vise à réaliser des maisons à consommation énergétique nette zéro (ZEH), c’est-à-dire des habitations conçues pour avoir une consommation énergétique nette annuelle proche de zéro. Cette recherche a été menée en collaboration avec l’Université Waseda et l’Université de Toyama.
Les chercheurs ont formulé le problème d’optimisation sous la forme d’un système d’équations et d’inéquations mathématiques pour déterminer le dimensionnement optimum des panneaux photovoltaïques et des batteries en termes de coût et de neutralité carbone. Ils ont envisagé des scénarios dans lesquels chaque lobby produit son énergie et où le partage de l’énergie entre les foyers est autorisé, ce que l’on appelle une « économie de partage ».
Le principal défi était que ces problèmes d’optimisation complexes sont généralement non convexes, ce qui signifie que les algorithmes de résolution peuvent se contenter de options sous-optimales. Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont appliqué des transformations pour convertir le problème d’origine en un problème de programmation linéaire (LP), qui est plus facile à gérer.
L’équipe a testé son approche dans un quartier japonais avec des données disponibles sur la consommation d’énergie et la manufacturing solaire de 134 ménages. Elle a réussi à trouver des options optimales pour les économies individuelles et de partage. « Nos exemples numériques ont exploité des données du monde réel au lieu de s’appuyer sur des données synthétiques, ce qui renforce l’authenticité de nos résultats », souligne Hatanaka. « Nous avons démontré que l’obtention du statut ZEH n’augmente pas significativement les coûts, ce qui implique qu’il s’agit d’un objectif réalisable pour les maisons résidentielles au Japon. »
L’expérience a également montré que les options commerciales ne pouvaient pas résoudre le problème d’optimisation preliminary en raison de sa complexité. « Lorsque l’on considère environ deux mois de données, le problème preliminary devient un défi informatique, et il faut jusqu’à 14 heures pour le résoudre par des options commerciales. En revanche, le problème complet peut être résolu en moins de dix secondes grâce à nos transformations LP », a-t-il ajouté.
Ces résultats pourraient grandement faciliter l’adoption de systèmes d’énergie renouvelable dans les quartiers résidentiels en aidant les urbanistes à déterminer la taille appropriée des panneaux solaires et des batteries. Espérons que ces efforts mèneront à des villes remplies de systèmes d’énergie renouvelable.
Rapport de recherche :Programmation linéaire orientée maison à consommation énergétique nette zéro pour le problème de dimensionnement des panneaux photovoltaïques et des batteries
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Institut de technologie de Tokyo
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