Quatre essais d’économie sur l’intégration dans les réseaux électriques Européens des sources d’énergie renouvelable intermittentes

Economics of intermittent renewable energy sources : four essays on large-scale integration into European power systems

• Auteur / Autrice : Arthur Henriot
• Direction : Jean-Michel Glachant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences économiques
• Date : Soutenance le 05/05/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale, Sciences de l'Homme et de la Société (Sceaux, Hauts-de-Seine ; 1996-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Réseaux, innovation, territoires et mondialisation (Sceaux, Haut-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : José De Sousa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Glachant, José De Sousa, Michael G. Pollitt, Christian von Hirschhausen, François Lévêque
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michael G. Pollitt, Christian von Hirschhausen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commerce de gros

Électricité -- Production

Électricité -- Transport

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Énergies renouvelables

Intermittence

Marchés de gros d’électricité

Réseau de transport

Renewable energy sources

Intermittency

Wholesale electricity markets

Transmission grid

Résumé

Cette thèse porte sur une série de problèmes d’efficacité économique créés par le développement de masse en Europe des sources d’énergie renouvelable (SER) intermittentes. Les ressources flexibles requises pour compenser certaines de leurs propriétés (variabilité, faible prévisibilité, sites spécifiques) sont connues, mais des signaux sont nécessaires pour en assurer un développement et des opérations efficaces. Une première question qui se pose est de savoir dans quelle mesure les SER intermittentes peuvent rester en dehors des marchés de l’électricité, alors qu’elles y jouent un rôle-clé. Une seconde question est de déterminer dans quelle mesure le design de marché actuel est adapté à un système électrique contenant une part très importante de SER intermittentes. Ces deux questions sont traitées ici dans quatre contributions indépendantes.Le premier chapitre consiste en une revue critique de littérature. On y introduit et compare deux paradigmes (qui sont souvent implicites) pour l’intégration des SER. On identifie ensuite des évolutions requises afin d’adapter le design de marché au développement de SER intermittentes, telles qu’une redéfinition des produits échangés, ou une réorganisation de la séquence de marchés.On emploie dans le deuxième chapitre un modèle analytique, afin d’évaluer le potentiel des marchés infra-journaliers pour gérer la faible-prévisibilité des SER intermittentes. Cette étude démontre comment ce potentiel est en grande partie déterminé par l’évolution des erreurs de prévision.Le troisième chapitre s’intéresse aux bénéfices qui peuvent résulter d’une restriction de la production des SER intermittentes à un instant donné. Un autre modèle analytique est utilisé pour décortiquer l’influence de paramètres clés sur ces bénéfices. Une attention particulière est portée à la distribution de ces bénéfices entre les différents acteurs.Enfin on réalise dans le chapitre 4 une simulation numérique de l’évolution des bilans des gestionnaires du réseau de transport (GRTs) européens, afin de souligner les difficultés posées par la connexion des SER intermittentes au réseau de transport. Des stratégies de financement alternatives sont également évaluées. Cette étude révèle l’existence d’un déficit de financement important en cas d’évolution constante des tarifs.

This thesis centres on issues of economic efficiency originating from the large-scale development of intermittent renewable energy sources (RES) in Europe. The flexible resources that are necessary to cope with their specificities (variability, low-predictability, site specificity) are already known, but adequate signals are required to foster efficient operation and investment in these resources. A first question is to what extent intermittent RES can remain out of the market at times when they are the main driver of investment and operation in power systems. A second question is whether the current market design is adapted to their specificities. These two questions are tackled in four distinct contributions.The first chapter is a critical literature review. This analysis introduces and confronts two (often implicit) paradigms for RES integration. It then identifies and discusses a set of evolutions required to develop a market design adapted to the large-scale development of RES, such as new definitions of the products exchanged and reorganisation of the sequence of electricity markets.In the second chapter, an analytical model is used to assess the potential of intraday markets as a flexibility provider to intermittent RES with low production predictability. This study highlights and demonstrates how the potential of intraday markets is heavily dependent on the evolution of the forecast errors.The third chapter focuses on the benefits of curtailing the production by intermittent RES, as a tool to smooth out their variability and reduce overall generation costs. Another analytical model is employed to anatomize the relationship between these benefits and a set of pivotal parameters. Special attention is also paid to the allocation of these benefits between the different stakeholders.In the fourth chapter, a numerical simulation is used to evaluate the ability of the European transmission system operators to tackle the investment wave required in order to manage the production of intermittent RES. Alternative financing strategies are then assessed. The findings reveal that under the current trend of tariffs, the volumes of investment forecasted will be highly challenging for transmission system operators.