Concevoir le design de marché pour le stockage de masse d'électricité : perspectives théoriques et analyses empiriques

Designing the market for bulk electric energy storage : theorical perspectives and empirical analysis

• Auteur / Autrice : Xian He
• Direction : Jean-Michel Glachant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences économiques
• Date : Soutenance le 26/09/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale, Sciences de l'Homme et de la Société (Sceaux, Hauts-de-Seine ; 1996-2015)
• Jury : Président / Présidente : Alain Rallet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andrej Lʹvovič Nekrasov
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claude Crampes, Ignacio Perez-Arriaga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conservation de l'énergie

Énergie -- Stockage

Mots clés libres

Stockage d'électricité

Système électrique

Design de marché

Valorisation

Optimisation

Electric energy storage

Power system

Market design

Valorisation

Optimisation

Résumé

Les défis auxquels les systèmes électriques font face actuellement (intégration massive des énergies renouvelables, développement de la production distribuée, réduction des émissions CO2, etc.) donnent lieu à une intuition partagée sur la croissance des besoins en stockage d’électricité. Néanmoins, les investissements en stockage engagés par des acteurs individuels restent à ce jour très faibles, sauf pour la technologie de stockage par pompage-turbinage. Ceci s’explique potentiellement par le fait que l’usage du stockage par un seul acteur ne permet que rarement de recouvrir le coût d’investissement du stockage. En tant qu’actif multifonctionnel, le stockage est capable de fournir de nombreux services à différents acteurs. La façon dont le stockage est utilisé devrait être adaptée afin de permettre une mutualisation du coût d’investissement et des bénéfices parmi différents acteurs dans le paysage dérégulé des systèmes électriques en Europe.La thèse a permis d’étudier les mécanismes efficaces permettant 1) aux acteurs régulés et dérégulés de partager l’utilisation d’une unité du stockage, et 2) à une coordination efficace des utilisations décentralisées du stockage. A cet effet, nous proposons un design de marché qui permet d’agréger les valeurs du stockage en deux dimensions.Premièrement, des valeurs peuvent être agrégées sur plusieurs horizons temporels. Les acteurs peuvent avoir intérêt à décider l’utilisation du stockage à différents moments avant la livraison en temps réel. L’agrégation verticale est obtenue par la superposition des profils d’utilisation décidés à différents horizons temporels. Deuxièmement, les valeurs peuvent être agrégées parmi différents acteurs. Ceci consiste à coupler le stockage avec des marchés organisés de l’électricité. A un horizon donné, l’opérateur du stockage communique ses capacités disponibles à l’opérateur du marché, qui vaviincorporer ces capacités dans le processus de clearing de marché afin de maximiser le bien-être social.La thèse démontre qu’il est possible de faire partager une unité du stockage par des acteurs régulés et dérégulés d’une manière systématique. Des simulations montrent que l’agrégation des valeurs du stockage, de la façon proposé dans la thèse, peut conduire à une augmentation évidente de la rentabilité du stockage. Elles montrent aussi qu’après la clôture de toutes les activités commerciales à un horizon donné, il reste systématiquement des capacités du stockage non-utilisées, qui sont difficilement valorisables par les acteurs dérégulés, mais pourraient être servies par les acteurs régulés. Le mécanisme d’agrégation permet de capturer la valeur de ces capacités, tout en respectant le principe d’ « unbundling » du secteur électrique européen.

The challenges faced by the power systems nowadays (massive integration of intermittent energy sources, development of distributed generation, reduction of CO2 emissions, etc.) give rise to a widespread notion on the growing needs for electric energy storage (EES). In spite of this, little investment on EES, however, has been carried out by individual actors. An exception concerns pumped hydro storage technology, but the development of this technology is highly constrained by the existence of suitable sites in Europe. The lack of investments in EES, despite its general usefulness, is potentially due to the fact that the usage of storage by one individual actor generally could not allow him to recover the high investment costs involved. As a multi-functional asset, EES can provide numerous benefits to different actors. A potential means to promote EES may involve socialising the investment cost and benefits of EES among different actors in the deregulated power systems in Europe.This thesis studies how to create efficient mechanisms to allow 1) all the actors, both regulated and deregulated, to share the use of an EES unit, and 2) an effective coordination on the decentralized usages of storage by different actors. To this aim, we propose a market design that enables the aggregation of the values of EES along two dimensions, namely vertical and horizontal aggregation.Firstly, the values can be aggregated vertically upon several time horizons. Actors may have different needs for EES at different time horizons. The vertical aggregation is achieved by superposing utilisation profiles of EES decided at different moments in time. The compatibility of the different utilisation profiles is ensured by a coordination mechanism. Secondly, the values can also be aggregated horizontally among a large number of actors. The horizontal aggregation consists in coupling EES to the electricityivmarkets. At a given time horizon, the storage operator communicates the available capacities of EES to the market operator, who will incorporate these capacities in the market clearing process to maximise the social welfare.The thesis proves that it is possible for different actors, both regulated and deregulated, to share the use of storage in a systematic way. The simulation results show that the aggregation of values of EES, in the way proposed by the thesis, can lead to higher return on investment. The simulation also show that, after the closure of all commercial activities (at certain time horizon), there are systematically residual capacities of EES which are difficult to be valued by deregulated actors, but can be used by regulated actors. The value of these capacities can be effectively captured in the proposed aggregation mechanism, while respecting the unbundling principle of the European electricity sector.