Comment un contrôleur de température Modbus TCP/IP RS-485 peut-il s'intégrer dans un système de gestion de l'énergie (EMS) dans l'industrie solaire ?

Le système de gestion de l'énergie (EMS) est le cerveau d'un système solaire domestique. Lorsque l'énergie solaire produit un surplus qu'il convient de conserver, une solution consiste à l'utiliser pour alimenter un chauffe-eau. Voici comment un régulateur PID s'intègre et optimise un système EMS solaire.

En clair, lorsque le système EMS détecte une puissance supplémentaire, il envoie une commande au contrôleur de température via Modbus TCP/IP et chauffe l'eau.

• Régulation PID : Système de gestion de l’énergie (EMS) → Consigne de température (°C) → Régulateur PID (régulateur intelligent) → Élément chauffant

Le régulateur PID n'est plus seulement une simple vanne de puissance ; il devient un agent intelligent et autonome gérant un processus thermique, le système de gestion de l'énergie (EMS) agissant comme un superviseur qui optimise les objectifs de l'agent en fonction de la disponibilité solaire.

Interaction entre le système de gestion de l'énergie (EMS) et le régulateur PID : stratégies clés

Le système EMS transforme le contrôleur PID d'un dispositif autonome en un composant système optimisé et sensible au réseau.

1. Ajustement dynamique du point de consigne (stratégie la plus courante)

• Scénario : Le système de gestion de l'énergie prévoit une production photovoltaïque élevée pour les 4 prochaines heures.

• Action : Le système EMS augmente le point de consigne PID de la chaudière principale de 55 °C à 65 °C (ou la limite de sécurité maximale).

• Résultat : Le régulateur PID travaille désormais plus intensément pour atteindre ce nouvel objectif plus élevé. Il sollicite davantage de puissance, plus fréquemment, en fonction précise du surplus d’énergie solaire. Lorsque la production photovoltaïque diminue, le système de gestion de l’énergie abaisse la consigne afin de conserver la chaleur stockée.

2. Activation du mode PV-Boost / "ECO"

• Scénario : Le système EMS détecte en temps réel l'excédent de puissance PV (> 1 kW exporté).

• Action : Le système EMS envoie une commande numérique au contrôleur PID pour activer un mode spécial « PV-Boost ».

• Logique de contrôle : Dans ce mode, la sortie du PID est limitée à la puissance excédentaire disponible (calculée par le système de gestion de l’énergie ou un compteur d’énergie interne). Le PID continue de réguler, mais sa consommation est limitée à l’excédent, empêchant ainsi toute injection sur le réseau.

3. Délestage et soutien de la fréquence du réseau (avancé)

• Scénario : La fréquence du réseau chute (forte demande), ou la consommation électrique totale du site approche de sa limite de réseau.

• Action : EMS envoie une commande pour désactiver temporairement la sortie du contrôleur PID ou limiter fortement sa puissance de sortie maximale.

• Résultat : La charge thermique est dissipée en quelques secondes, assurant la stabilité du réseau et évitant les pics de consommation. Le processus PID s’interrompt et reprend lorsque nécessaire, avec une chute de température minimale grâce à l’inertie thermique du système.

4. Optimisation en fonction des heures d'utilisation (TOU)

• Scénario : Les prix de l'électricité vont connaître une forte hausse entre 17h et 20h.

• Action : Le système EMS commande le PID pour garantir que la chaudière atteigne sa température maximale admissible avant 16h45 en utilisant l'énergie solaire bon marché ou l'électricité en heures creuses.

• Résultat : De 17h à 20h, le chauffe-eau peut être complètement éteint et l'eau chaude stockée est utilisée, ce qui permet d'éviter une consommation d'électricité coûteuse.

Avantages de l'utilisation d'un régulateur PID dans un système de gestion de l'énergie solaire

1. Stabilité et qualité des processus : le PID garantit des températures précises et stables, essentielles pour les processus industriels (par exemple, le nettoyage à l'énergie solaire, la pasteurisation, les réactions chimiques) ou le confort domestique (pas de brûlures).

2. Fonctionnement autonome : le régulateur PID gère tous les ajustements complexes en temps réel pour compenser les perturbations (par exemple, arrivée d’eau froide, pertes de chaleur ambiante). Le système de gestion de l’énergie (EMS) n’intervient que périodiquement pour ajuster les objectifs.

3. Exploitation de la masse thermique : Le PID, guidé par le EMS, peut « charger » intelligemment le stockage thermique (réservoir d'eau, tampon) lorsque l'énergie est bon marché/abondante et « se mettre en veille » lorsqu'elle ne l'est pas.

4. Intégration de sécurité : Les limites hautes/basses intégrées, la détection de rupture de capteur et les relais d’alarme offrent une couche de sécurité robuste dont un simple régulateur de puissance est dépourvu.

5. Gestion multizone : Un seul PID multicanal peut gérer différentes zones (par exemple, chaudière ECS, tampon de chauffage des locaux, piscine) avec des points de consigne et des priorités différents, le tout coordonné par le EMS.

Résumé : La division du travail

• EMS est le stratège : il répond aux questions « Quand ? » et « Combien ? » en fonction de l'économie de l'énergie et des conditions du réseau.

  • « Nous avons un surplus d'énergie solaire pendant 3 heures – chauffons le réservoir au maximum. »

  • « Les prix du réseau sont élevés actuellement – arrêtez immédiatement le chauffage. »

• Le régulateur PID est le tacticien : il répond à la question « Comment ? » pour atteindre l'objectif thermique de manière efficace et sûre.

  • « Pour atteindre 65 °C, j'appliquerai la pleine puissance maintenant, puis je la réduirai progressivement à 30 % à mesure que nous approcherons du point de consigne afin d'éviter tout dépassement. »

  • « Une importante consommation d'eau froide vient de se produire. Je vais augmenter la puissance de 15 % pour compenser. »

Conclusion

Dans le secteur solaire, l'intégration d'un régulateur de température PID à un système de gestion de l'énergie (EMS) crée un système d'optimisation performant à deux niveaux. Il associe la gestion du réseau et les données économiques à un contrôle précis des processus. Ceci est essentiel pour des applications allant au-delà de la simple déviation, telles que :

• Centrales solaires thermiques avec stockage.

• Procédés de chauffage/refroidissement industriels alimentés par énergie photovoltaïque.

• Systèmes solaires thermiques résidentiels/commerciaux de pointe.

• Optimisation de la cogénération (production combinée de chaleur et d'électricité).

Le système EMS guide les objectifs du contrôleur PID, transformant une boucle de température standard en un actif dynamique et réactif au réseau qui maximise l'autoconsommation, minimise les coûts et peut même fournir des services au réseau.