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Chapitre 15 Smarthoods : Microgrilles intégrées Aquaponics

1. 15.1 Introduction

   Original publication 2019 · Publié pour la première fois sur FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Le passage à un système énergétique entièrement durable nécessitera en partie le passage d'un système centralisé de production et de distribution à un système décentralisé, en raison de la montée des technologies décentralisées de production d'énergie utilisant le rayonnement solaire éolien et les toits. En outre, l'intégration des secteurs de la chaleur et des transports dans le réseau électrique entraînera une augmentation très significative de la demande de pointe. Ces développements nécessitent des adaptations massives et coûteuses de l'infrastructure énergétique, tandis que l'utilisation des actifs de production existants devrait chuter de 55 % à 35 % d'ici 2035 (Strbac et al., 2015). Cela pose un défi majeur, mais aussi une opportunité : si les flux d'énergie peuvent être équilibrés localement dans _microréseaux, la demande de mise à niveau coûteuse de l'infrastructure peut être réduite, tout en assurant une stabilité supplémentaire au réseau principal. Pour ces raisons, « les microréseaux ont été identifiés comme un élément clé du réseau intelligent pour améliorer la fiabilité et la qualité de l'énergie, en augmentant l'efficacité énergétique du système » (Strbac et al. 2015).

   Les microréseaux peuvent fournir la résilience et la flexibilité nécessaires et sont donc susceptibles de jouer un rôle important dans le système énergétique de l'avenir. On estime que d'ici 2050, plus de la moitié des ménages de l'UE produiront leur propre électricité (Pudjianto et al., 2007). Il est donc nécessaire de débloquer des ressources flexibles au sein des microréseaux afin d'équilibrer la production intermittente d'énergie renouvelable.

   Les systèmes d'agriculture urbaine, tels que l'aquaponie (dos Santos 2016), peuvent fournir cette flexibilité énergétique si nécessaire (Goddek et Körner 2019 ; Yogev et al. 2016). Les plantes peuvent croître dans un large éventail de conditions externes, car elles sont habituées à le faire dans la nature. Il en va de même pour les poissons dans un système aquacole, qui peut prospérer dans une large plage de températures. Ces conditions de fonctionnement flexibles permettent un effet tampon sur les besoins en énergie, ce qui crée une grande flexibilité au sein du système. La masse thermique élevée incarnée par le système aquacole permet de stocker de grandes quantités de chaleur à l'intérieur du système. Les lumières peuvent être allumées et éteintes en fonction de l'abondance de l'électricité, ce qui permet de réduire la production d'électricité excédentaire en la transformant en biomasse précieuse. Les pompes peuvent être actionnées en synchronicité avec les temps de production d'énergie de pointe (p. ex. midi) pour limiter la puissance nette de crête (crête de rasage). Les unités de distillation optimales (Chap. 8) ont également une demande de chaleur très flexible et peuvent être désactivées dès qu'il y a un surapprovisionnement en chaleur ou en électricité (c'est-à-dire que la pompe à chaleur convertirait alors l'énergie électrique en énergie thermique). Tous ces aspects rendent les systèmes aquaponiques bien adaptés pour fournir de la flexibilité à un microréseau.

   En plus de fournir une flexibilité de consommation, un système aquaponique multi-boucles peut être intégré pour offrir également une flexibilité de production. Le biogaz est produit sous forme de sous-produit de l'UASB dans l'installation aquaponique. Ce biogaz peut être brûlé afin de produire à la fois de la chaleur et de l'énergie, en incorporant un micro-CHP dans le microréseau. L'intégration de systèmes aquaponiques dans les microréseaux peut donc améliorer la flexibilité énergétique tant du côté de la demande que de l'offre.

2. 15.2 Le concept Smarthoods

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   Pour exploiter pleinement le potentiel du lien entre l'alimentation et l'eau et l'énergie par rapport aux microréseaux décentralisés, une approche entièrement intégrée se concentre non seulement sur l'énergie (microréseaux) et l'alimentation (aquaponie), mais aussi sur l'utilisation du cycle local de l'eau. L'intégration de divers systèmes d'eau (comme la collecte des eaux de pluie, le stockage et le traitement des eaux usées) dans des microréseaux intégrés à l'aquaponie offre le plus grand potentiel d'efficacité, de résilience et de circularité. Le concept d'un microréseau alimentaire-eau-énergie entièrement intégré et décentralisé sera désormais désigné comme un « quartier intelligent » (quartier intelligent) et est illustré à la figure 15.2.

   L'avantage de la mise en œuvre de l'aquaponie dans le concept Smarthoods est sa capacité à contribuer à optimiser les flux intégrés d'éléments nutritifs, d'énergie et d'eau (figure 15.1). Ce potentiel d'intégration va bien au-delà du

   Le lien entre l'alimentation et l'eau et l'énergie

   30 % de la demande mondiale d'énergie est utilisée pour l'agriculture 70 % de la demande mondiale d'eau douce est utilisée pour l'agriculture

    

   Fig. 15.1 Le lien entre l'alimentation, l'eau et l'énergie montre l'interaction entre l'énergie, l'eau et la production alimentaire (basé sur IRENA 2015)

   img src="media/image-20201002190013698.png » alt="Systèmes aquaponiques découplés dans une Smarthood » style="zoom : 67% ; »/

   Fig. 15.2 L'intégration de systèmes aquaponiques découplés (comme décrit dans Chap. 8) dans un environnement local décentralisé tel que conçu pour le concept Smarthoods. Les flèches vertes montrent dans quelle mesure un système aquaponique peut interagir avec l'ensemble du système. Les flèches rouges représentent les flux de chaleur, les flèches bleues coulent d'eau et les flèches jaunes alimentent les flux

   les croisements entre les systèmes énergétique et alimentaire. Par exemple, les flux de déchets biodégradables en cours peuvent être traités dans des réacteurs anaérobies (p. ex. UASB) et produire du biogaz et du bio-engrais (Goddek et al. 2018). Même les boues résiduelles déminéralisées peuvent être utilisées comme fumier liquide sur les terres cultivées conventionnelles.

   img src= » https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "style="zoom : 75% ; »/

   Fig. 15.3 Photo illustrée de De Ceuvel (source : Métabolique — www.metabolic.nl)

   Exemple 15.1

   Un premier exemple de développement de microréseaux aquaponiques urbains intégrés est De Ceuvel, chantier naval d'Amsterdam-Nord qui a été converti en espace de bureaux autosuffisant et centre récréatif. De Ceuvel sert de banc d'essai pour les nouvelles technologies et politiques visant à créer une économie circulaire. Il dispose d'un microréseau entièrement électrique, y compris photovoltaïque solaire, pompes à chaleur et échange d'énergie peer-to-peer sur la blockchain en utilisant leur propre jeton d'énergie : le Jouliette [^1]. Une petite installation aquaponique produit des herbes et des légumes pour le restaurant sur place. Le même restaurant utilise du biogaz extrait de déchets organiques produits localement pour ses activités de cuisine ainsi que pour le chauffage des locaux. En outre, il existe un laboratoire qui est utilisé pour tester la qualité de l'eau et extraire les phosphates et les nitrates.

   Bien que De Ceuvel n'utilise pas activement l'installation aquaponique pour augmenter la flexibilité de son microréseau, des capteurs sont en cours d'installation pour surveiller les flux d'énergie et de nutriments afin d'en évaluer les performances. Ces données seront utilisées pour faciliter le développement de microréseaux aquatiques intégrés urbains plus récents et plus intelligents, comme le concept Smarthoods proposé dans ce chapitre. Les cas d'utilisation précoce trouvés dans des laboratoires urbains tels que De Ceuvel sont essentiels au développement réussi du concept Smarthoods (fig. 15.3).

   [^1] : https://www.joulitte.net

   Bien qu'une approche holistique des systèmes urbains FWE comme les concepts Smarthoods apporte de nombreux avantages, l'intégration des systèmes aquaponiques dans les microréseaux reste très dépendante de la casse. Les systèmes aquaponiques de production alimentaire se caractérisent par un rendement plus élevé et une empreinte en eau, en nutriments et en énergie plus faible que les systèmes agricoles conventionnels ; toutefois, ils sont aussi plus coûteux à construire. Ils sont donc les mieux adaptés aux endroits qui nécessitent des rendements élevés en raison, par exemple, de la limitation de l'espace. Dans les zones urbaines denses, il peut ne pas toujours y avoir suffisamment d'espace pour construire une installation aquaponique, alors que dans les zones rurales, le coût des terres peut être trop faible pour justifier la construction d'une installation aquaponique ultramoderne ; une installation agricole standard avec des coûts de financement et des rendements plus faibles sera plus adaptée à ces cas. Le cas d'utilisation le plus optimal pour une installation aquaponique intégrée est celui où l'espace disponible est suffisant, et un rendement élevé par surface est nécessaire pour compenser le coût de l'utilisation des terres. Les quartiers suburbains et d'autres zones urbaines (p. ex. un entrepôt abandonné) sont donc les plus susceptibles de voir la première mise en place de microréseaux intégrés à une installation aquaponique (voir l'exemple 15.1).

3. 15.3 But

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   L'objectif de cette recherche est de quantifier le degré d'autosuffisance et de flexibilité d'un microréseau intégré à un système aquaponique multiboucle découplé.

4. 15.4 Méthode

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   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 :

   1. Maintenez le stockage de chaleur au minimum.

   2. Prévoir la production et la consommation d'électricité inflexibles prévues.

   3. (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

5. 15.5 Résultats

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   La consommation électrique et thermique totale des maisons et de l'installation de serre aquaponique (modélisée à partir des données des tableaux 15.1 et 15.2) est indiquée au tableau 15.3. La serre aquaponique est responsable de 38,3 % de la consommation d'énergie et de 51,4 % de la consommation de chaleur. La demande d'énergie pour une installation aquaponique intégrée dans un microréseau résidentiel représente donc un peu plus d'un tiers de la demande totale d'énergie locale, étant donné que l'ensemble de la production d'énergie résidentielle et de légumes et de poissons se fait localement. La demande de chaleur représente environ 50 % de la demande totale de chaleur, ce qui peut être attribué en grande partie à l'unité de distillation fonctionnant sur de l'eau à haute température.

   Comme on peut le voir dans les figures 15.4 et 15.6, le système énergétique Smarthoods est capable d'équilibrer la production et la demande la plupart du temps. La part totale de l'électricité importée du réseau est de 4,62 % pour le scénario de référence. Parfois, un léger déséquilibre de puissance peut être observé, ce qui peut être attribué à un contrôle sous-optimal pour la version actuelle du modèle pour la plupart. La cogénération, par exemple, passe de l'état à l'état à plusieurs reprises au cours de plusieurs heures, ce qui entraîne une surproduction d'électricité. Un tel comportement ne se produira pas pour un système de commande plus optimisé, car la cogénération peut être réduite en coordination avec la pompe à chaleur afin de fournir la quantité exacte d'électricité et de chaleur nécessaire.

   15.5.1 Flexibilité

   Le système est très flexible grâce à la cogénération et à l'installation aquaponique avec son éclairage et ses pompes flexibles, sa capacité de tampons thermiques élevée, ainsi que la

   Tableau 15.3 Charge électrique et thermique pour différents aspects du microréseau

   table thead tr class="en-tête » th/th e Résidentiel /th e Installations aquaponiques /th /tr /thead tbody tr class="impair » TDElectrique/td td 17,2 kW /td td 10,2 kW /td /tr tr class="même » TDElectrique/td td 47,6 kWsubp/sous-marin /td td 15,2 kWsubp/sous-marin /td /tr tr class="impair » La demande totale électrique/e e 143,2 MWh/an /th e 89,2 MWh/an /th /tr tr class="même » TDThermal demande moyenne/td td 37,1 kW /td td 39,3 kW /td /tr tr class="impair » TDThermal demande crête /td td 148,4 kW /td td 121,2 kW /td /tr tr class="même » THThermique demande totale/e e 325.0 MWHsubth/sub/an /th e 344,2 MWhsubth/sub/an /th /tr /tbody /table

    

   Fig. 15.6 Diagrammes graphiques chronologiques pour les bilans d'énergie (en W) de puissance (en haut à gauche) et de chaleur (en bas à gauche) du système Smarthood. La capacité de stockage (en kWh) est indiquée sur le côté droit pour la puissance (en haut à droite) et la chaleur (en bas à droite). L'axe des x représente le nombre d'heures écoulées depuis le début de l'année. La ligne noire représente le déséquilibre de l'énergie

   batterie, et le système d'hydrogène. Le système aquaponique, en particulier, augmente considérablement la flexibilité globale du système, car il peut fonctionner pour une large gamme d'apport d'énergie, comme le montre le tableau 15.4. Grâce à cette flexibilité, le système parvient à atteindre une autosuffisance électrique quasi totale (95,38 %) et une autosuffisance thermique à 100 %.

6. 15.6 Discussion

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   Auto-suffisance Le système énergétique proposé pour le concept Smarthood est capable d'obtenir une indépendance quasi totale du réseau grâce à l'utilisation de la flexibilité offerte par les divers composants du système. Le système aquaponique, en particulier, a un

   Tableau 15.4 Demande flexible du système aquaponique

   table thead tr class="en-tête » e Composant /th e Ordre de grandeur /th e Souplesse /th /tr /thead tbody tr class="impair » td rowspan=3 Pompes /td td 0,05—0,15 kWsube/Sub MSUP3/SUP /td td rowspan=3 Toutes les pompes ne doivent pas fonctionner en continu. Les principaux procédés (contrôle de l'oxygène, contrôle de l'ammoniac, contrôle du COSub2/Sub, échanges de réservoirs, contrôle des solides en suspension) doivent fonctionner en continu. Les procédés plus petits tels que le dosage du tampon pH, les routines de lavage à contre-courant, les échanges d'eau ou l'oxygénation de secours n'ont pas à fonctionner en continu /td /tr tr class="même » td 1—3 kWsube/sous-marin /td /tr tr class="même » td 8,76—28,26 MWHsube/sub/an /td /tr tr class="impair » td rowspan=2 Éclairage /td td 80—150 W/MSUP2/SUP /td td rowspan=2 Les plantes ont besoin d'environ 4—6 h d'obscurité, le reste de la journée, elles peuvent être allumées artificiellement. Cela laisse environ 0 (été) à 12 (hiver) heures d'éclairage supplémentaire flexible /td /tr tr class="même » td Avec un facteur de capacité de 10 à 20 %, cela conduit à 28—105 MWHsube/sub/an Kwsube/sub /td /tr tr class="impair » td rowspan=2 Chauffage des locaux (par le sol) et chauffage des réservoirs d'aquaculture /td td 444 kWsubth/Sub.MSUP2/SUP/an /td td rowspan=2 En raison de la masse thermique élevée du sol en béton et du grand volume d'eau dans le réservoir RAS, la charge thermique est extrêmement flexible /td /tr tr class="impair » td 177,8 MWhsubth/sub/an /td /tr tr class="même » td rowspan=2 Unité de distillation /td td 50 kWsubth/Sub-MWHsube/Sub./an /td td rowspan=2 L'unité de distillation fonctionne à l'eau chaude (70—90 °C) et peut être actionnée avec une grande flexibilité (MemSys 2017) /td /tr tr class="impair » td 166,4 MWHsubth/sub/an /td /tr /tbody /table

   sur la flexibilité globale du système. Avec une autosuffisance énergétique de 95,38%, ce système fonctionne mieux que tout autre système économiquement réalisable évalué dans des recherches antérieures (de Graaf 2018).

   Architecture de contrôle Faciliter une économie énergétique locale décentralisée, telle que celle proposée dans le concept Smarthoods, nécessite une plateforme qui assure le suivi de toutes les transactions peer-to-peer qui se produisent dans le quartier. Le réseau peer-to-peer correspondant peut être classé comme une approche de système multi-agents (MAS), dans laquelle plusieurs nœuds (par exemple les ménages ou les bâtiments de services publics) fonctionnent comme des agents indépendants avec leur propre objectif (par exemple, réduire les coûts ou maximiser les économies d'énergie) et le processus de prise de décision correspondant. Une telle approche décisionnelle décentralisée et multi-agents est nécessaire en raison de la complexité du système. Il y a tout simplement trop d'informations et trop de variables pour le calcul d'une architecture de contrôle hiérarchique, descendante et centralisée.

   Blockchain Une architecture de contrôle de système multi-agents basée sur la blockchain pourrait potentiellement fournir le cadre nécessaire pour accueillir un réseau peerto-peer décentralisé. Un grand nombre de nœuds distribués assurent la stabilité et la sécurité du réseau, et une alternative à l'exploitation minière peut être utilisée : la frappe. Avec la frappe, les jetons et les pièces sont générés à partir des données fournies par un appareil réel tel qu'un compteur d'énergie intelligent. À condition que ces sources d'information puissent être fiables, c'est-à-dire que ces dispositifs peuvent être inviolables, on peut créer un registre sûr et indépendant dans lequel divers intervenants peuvent échanger des biens (par exemple, l'électricité) et des services (par exemple, la gestion de la demande). Grâce à des contrats intelligents, des services complexes tels que le trading de flexibilité peuvent être programmés dans l'architecture de contrôle du système.

   _Internet des objets _ Les composants du système Smarthood, tels que les pompes à chaleur, l'éclairage de serre ou l'UASB, peuvent tous être commandés à l'aide de capteurs et d'actionneurs connectés à Internet, connus sous le nom d'Internet des objets. Un réseau de capteurs IoT permet l'acquisition étendue de données, allant de la concentration en éléments nutritifs des bassins à poissons, par exemple, des cycles de charge de la batterie, le tout sur une base par pas de temps. Ces données peuvent être utilisées pour vérifier le modèle numérique et optimiser le contrôle dynamique du système.

   Intelligence Optimiser le contrôle du système Smarthood peut se faire en analysant les données à l'aide d'algorithmes d'intelligence artificielle, tels que la programmation génétique (algorithmes évolutionnaires) ou l'apprentissage du renforcement machine. Avec l'apprentissage du renforcement machine, par exemple, un ensemble d'actions et leur influence sur l'environnement sont transmises à l'algorithme en tant qu'arguments d'entrée, ainsi que l'état actuel du système et une fonction objectif/coût cumulé. Un processus décisionnel heuristique et progressif peut être mis en œuvre dans chaque ménage qui s'adaptera dynamiquement aux situations afin de trouver un programme de prise de décision quasi optimal qui gérera les flux d'énergie au sein de la maison et de la Smarthood. Chaque maison peut exécuter un tel algorithme, ce qui permet de créer une architecture de système de contrôle multinodal, connue sous le nom de système multi-agents (MAS), relativement peu coûteuse sur le plan informatique (par rapport au contrôle centralisé) — et proche de l'optimal.

   Barrières légales La nature hautement innovante de divers aspects du concept Smarthood, tels que la microgrille de polygénération, le système aquaponique multi-boucles et les exigences non conventionnelles de planification urbaine, apporte un ensemble unique de défis à relever. Pour bon nombre de ces défis, le cadre réglementaire actuel est insuffisant pour tenir compte des développements proposés dans le concept Smarthoods.

   Microgrids, par exemple, fonctionnent mieux lorsqu'il existe un marché local sur lequel divers prosumers (consommateurs qui produisent simultanément de l'énergie) peuvent se livrer à des échanges d'énergie de pair à pair sans friction sur un marché libre. Les forces du marché s'emploieront ensuite à créer un marché local de l'énergie dans lequel les prix de l'énergie fluctueront en fonction de l'offre et de la demande locales. Cette fluctuation des prix encouragera donc des solutions énergétiques intelligentes telles que le stockage de l'énergie, la gestion de la demande ou la production flexible d'énergie. Dans la plupart des pays de l'UE, un marché local libre est actuellement impossible en raison de la réglementation ; des taxes doivent être payées pour chaque kWh qui passe par le compteur d'électricité, le prix de l'électricité pour les consommateurs est fixe et les prosumers ne sont pas autorisés à participer au marché de l'énergie sans l'intervention d'un tiers partie appelée le aggregator. Compte tenu de l'augmentation prévue du développement des projets de microréseaux, les organismes de réglementation devront trouver des moyens de faciliter les marchés locaux de l'énergie afin de libérer tout le potentiel des microréseaux hautement intégrés (voir exemple 15.2).

   Exemple 15.2

   Un progrès récent dans le cadre réglementaire néerlandais est l'introduction du regeling expérimental, une loi expérimentale qui permet à un petit nombre de projets soigneusement sélectionnés (comme de Ceuvel, exemple Z.1) de permettre aux coopératives d'énergie de devenir leur propre gestionnaire de réseau de distribution, comme s'ils se trouvaient derrière une connexion d'un mètre. Cette loi témoigne de la prise de conscience par les organismes de réglementation néerlandais des obstacles juridiques mentionnés précédemment et conduira donc très probablement à une révision de la loi actuelle sur l'électricité dans un avenir proche afin de mieux tenir compte de l'évolution du microréseau.

   Il existe également des obstacles juridiques dans la plupart des pays de l'UE en ce qui concerne la réutilisation de l'eau noire traitée pour la production de poissons et de plantes, car il faut veiller à ce que les agents pathogènes humains soient totalement éliminés. On trouvera plus d'informations sur le cadre juridique de l'aquaponie dans le Chap. 20.

7. 15.7 Conclusions

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   L'objectif de cette recherche était de quantifier le degré de flexibilité et d'autosuffisance qu'un microréseau intégré aquaponique peut fournir. Pour parvenir à cette réponse, un quartier de 50 ménages a été supposé être « Smarthood », avec une installation aquaponique découplée à plusieurs boucles capable de fournir du poisson et des légumes à l'ensemble des 100 habitants de la Smarthood.

   Les résultats sont prometteurs : grâce à la grande flexibilité inhérente au système aquaponique due à une masse thermique élevée, à des pompes flexibles et à un éclairage adaptatif, le degré global d'autosuffisance est de 95,38 %, ce qui le rend presque totalement autonome et indépendant du réseau. Le système aquaponique étant responsable de 38,3 % de la consommation d'énergie et de 51,4 % de la consommation de chaleur, l'impact de l'installation aquaponique sur le bilan énergétique total du système est très élevé.

   Des recherches antérieures (de Graaf 2018) ont montré qu'il est très difficile d'atteindre des niveaux d'autoconsommation supérieurs à 60% sans compter sur une source de biomasse externe pour générer une cogénération. Même avec cette source incluse, l'autoconsommation maximale technique-économiquement réalisable n'a pas dépassé 89 %. Dans le Smarthood, les intrants de biomasse pour la cogénération proviennent en partie du système aquaponique lui-même et du recyclage de l'eau grise et noire. Une autoconsommation plus élevée combinée à une plus faible dépendance à l'égard des intrants de biomasse externes et une autoconsommation qui en résulte de 95 % rendent le microréseau intégré aquaponique proposé plus performant du point de vue de l'autosuffisance que tout autre microréseau renouvelable connu des auteurs.

   Les auteurs de ce chapitre croient donc fermement qu'avec suffisamment d'expérimentation, l'intégration de systèmes de serre aquaponiques dans des microréseaux offre un grand potentiel pour la création de systèmes alimentaires—eau—énergie hautement autonomes au niveau local.