15.4 Méthode
Un quartier de 50 ménages a été supposé être un « Smarthood », avec une installation aquaponique découplée à plusieurs boucles qui est capable de fournir du poisson et des légumes à l’ensemble des 100 habitants de la Smarthood.
Pour la modélisation détaillée de la Smarthood, un scénario de référence hypothétique d’un quartier suburbain à Amsterdam a été utilisé, composé de 50 ménages (maisons) avec une occupation moyenne par ménage de 2 personnes par ménage (100 personnes au total). En outre, une installation aquaponique urbaine comprend une serre, un système aquacole, un UASB et une unité de distillation. Le dimensionnement des différentes composantes est motivé à l’aide de données relatives à un ménage et à une serre typiquement néerlandais (voir tableau 15.1).
15.4.1 Le modèle du système énergétique
Un modèle de système énergétique (MSE) a été élaboré qui permet de simuler les flux d’énergie d’un large éventail de composants, dont les principales spécifications sont présentées au tableau 15.2. Le MES est capable de calculer les flux d’énergie pour chaque composante pour chaque heure de l’année.
Tableau 15.1 Besoins alimentaires et énergétiques par personne/ménage aux Pays-Bas
table thead tr td/td Moyenne (par capital/an) /e THTotal (100 personnes) /e THSource/TH /tr /thead tbody tr e colspan=4nourriture/th /tr tr TDConsommation de légumes (Pays-Bas) /td td 33 kgsupa/sup (alors que u73 kg/u sont recommandés /td td 7300 kg /td td EFSA (2018) /td /tr tr class=“impair » TDzone de serre requise/td td Environ 4 msup2/sup /td td 400 msup2/sup /td td Estimé sur la base de min. recommandation de consommation /td /tr tr class=“même » TDFish consomption/td td 20 kg /td td 2000 kg /td td FAO (2015) /td /tr tr class=“impair » TDVolumesup/sup/td requis pour l’aquaculture td 0,2 msup3/sup /td td 20 msup3/sup /td td Estimé /td /tr tr e colspan=4 Énergie/TH /tr tr class=“impair » TDConsommation de chaleur des ménages (Pays-Bas) /td td 6500 kWhsubth/Sous/Maison/année /td td 325 MWHsubth/sub/an /td td CBS (2018) /td /tr tr class=“même » td Rowspan=2RAS consommation d’électricité/td td rowspan=2 0,05—0,15 kWsube/Sub.MSUP3/SUP /td td 1—3 kWsube/sous-marin /td td rowspan=2 (Espinal, communication personnelle) /td /tr tr class=“impair » td 8,76—28,26 MWHsube/sub/ an /td /tr /tbody /table
Supa/supLe Néerlandais moyen mange 50 kg de légumes par an. Cependant, seulement 33 kg de légumes qui peuvent être cultivés dans les systèmes hydroponiques, qui sont des légumes de fruits 31,87 g/jour, les légumes de brassica 22,11 g/jour, les légumes en feuilles 12,57 g/jour, les légumes à légumineuses 19,74 g/jour, les légumes à tige 4,29 g/jour
Supb/supconsidérant une densité de poisson max. de 80 kg/msup3/sup
Tableau 15.2 Composants de production
table thead tr class=“en-tête » ThComponent/TH e Taille /th e Spécifications /th /tr /thead tbody tr class=“impair » TDSolar PV/TD td 40 kWsubp, e/sub /td td Eta : 0,15 /td /tr tr class=“même » Turbine/td td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta : 0,33 /td /tr tr class=“impair » TDPompe à chaleur/td td 10 kWsubp, e/sub /td td FLIC : 4.0 /td /tr tr class=“même » TDCHP/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td EtaSuble/Sub : 0,24, etaSubth/Sub = 0,61 /td /tr tr class=“impair » TDFuel Cellule/td td 10 kWsubp, e/sub /td td Eta : 0,55 /td /tr tr class=“même » TDElectrolyser/TD td 20 kWsubp, e/sub /td td Eta : 0,45 /td /tr tr class=“impair » TDBatterie/TD td 200 kWh /td td Eta : 0,90 /td /tr tr class=“même » TDHot réservoir d’eau td 930 kWh /td td 40—60C /td /tr tr class=“impair » TDRéservoir à hydrogène/td td 1000 kWh /td td 30 kg de stockage HSub2/sub /td /tr /tbody /table
Le système énergétique a été modélisé dans MATLAB à l’aide des données de profil énergétique d’Amsterdam obtenues par DesignBuilder. Le modèle numérique des séries chronologiques intègre un large choix de technologies énergétiques, énumérées dans le tableau 15.2 avec leurs spécifications pertinentes (figure 15.4).
Le modèle du système énergétique utilise des énoncés conditionnels simples pour le processus décisionnel, c’est-à-dire qu’il s’agit d’un système de contrôle fondé sur des règles. Dans la version actuelle de ce modèle, le contrôle est centralisé, avec pour objectif l’auto-consommation
Fig. 15.4 Le modèle de microgrille aquaponique (F. de Graaf 2018), montrant les bilans énergétiques pour la puissance (diagramme supérieur) et la chaleur (diagramme inférieur) pour le scénario de référence (Amsterdam)
maximisation du système dans son ensemble (dans une version ultérieure, l’architecture de contrôle sera décentralisée, voir Sect. 15.5). Les énoncés conditionnels pour y parvenir peuvent être énoncés comme suit :
Maintenez le stockage de chaleur au minimum.
Prévoir la production et la consommation d’électricité inflexibles prévues.
(a) Si la batterie est pleine, activez la consommation flexible.
b) Si la batterie est vide, activez la génération flexible.
En maintenant le stockage de chaleur au minimum, le tampon pour l’équilibrage de l’énergie flexible est optimisé. En cas de surproduction d’électricité inflexible (c’est-à-dire la production d’électricité qui ne peut pas être programmée ou contrôlée de manière flexible, comme l’énergie solaire ou éolienne), la pompe à chaleur peut être mise en marche pour créer un tampon fourni par le stockage de l’eau chaude et la masse thermique du système RAS aquaponique. Inversement, en cas de sous-production d’électricité, la production flexible telle que la cogénération et la pile à combustible peuvent être activées, utilisant ainsi la capacité de stockage thermique.
Pour la chaleur et la puissance, le bilan énergétique est équivalent à
$P_ {gen, flex} + P_ {gen, inflex} + P_ {grid} = P_ {contre, inflex} + P_ {contre, flex} + P_ {storage} $ (15,1)
Les générations flexibles comprennent la pompe à chaleur, l’unité combinée de chaleur et d’énergie (COP), la pile à combustible, la batterie et les dispositifs intelligents et flexibles (p. ex. les pompes aquaponiques). Les capteurs éoliens, photovoltaïques solaires (PV) et solaires sont classés comme une génération rigide. Les appareils non flexibles constituent la majeure partie de la consommation d’électricité, surtout en hiver (en raison de la nécessité d’un éclairage instantané) (fig. 15.5).
Fig. 15.5 Exemple des flux d’énergie (diagramme Sankey) d’une possible configuration de microréseaux intégrés à De Ceuvel (de Graaf 2018), y compris un biodigesteur pour la production de biogaz. Cette configuration particulière n’inclut pas l’unité combinée de chaleur et de puissance qui est présente dans le concept Smarthood, et ne tient pas compte d’une grande installation aquaponique