Le nucléaire dans les systèmes électriques décarbonés avec des énergies renouvelables : Analyse de sa flexibilité, cadre de modélisation et rôle dans les transitions électriques françaises et ouest-européennes

Nuclear in decarbonized power systems with renewable energy : Flexibility assessment, modeling framework, and role in the French and Western European electric transition

• Auteur / Autrice : Arthur Lynch
• Direction : Gilles Mathonnière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie économique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire génie industriel (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Da Costa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Geoffron, Rodica Sandu-Loisel, Patrick Criqui, Jesse Jenkins, Olivier Massol
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrice Geoffron, Rodica Sandu-Loisel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transition énergétique

Réseaux électriques (énergie)

Énergies renouvelables

Énergie nucléaire

Mots clés libres

Nucléaire

Energies renouvelables

Flexibilité

Modélisation de système électrique

Nuclear energy

Renewables

Flexibility

Power systems modeling

Résumé

Dans le contexte de la décarbonation des systèmes électriques français et européens, les énergies renouvelables, notamment les technologies solaire et éoliennes, sont destinées à assurer une part grandissante de la demande d'électricité. Cette transition va fortement impacter le système électrique, en particulier augmenter les besoins de flexibilité pour maintenir l'équilibre constant entre offre et demande. Ainsi, les réacteurs à eau pressurisée, majoritairement utilisés à pleine puissance pour recouvrir leurs coûts fixes élevés, devront participer à ces besoins de flexibilité et concourrir face aux autres sources disponibles (hydraulique, batteries, flexibilité de la demande…).Cette thèse présente tout d'abord les contraintes de flexibilité des réacteurs à eau pressurisée et se focalise sur les phénomènes influençant le calendrier de fonctionnement des réacteurs et l'évolution de leur puissance minimale de fonctionnement au cours de leur cycle d'irradiation, qui déterminent en partie la capacité de flexibilité des réacteurs. L'analyse de la littérature montre que ces contraintes de flexibilité sont rarement considérées par les modèles de simulation de systèmes électriques visant à déterminer la capacité et le fonctionnement des réacteurs dans des systèmes à forte part d'énergies renouvelables. L'absence de représentation de ces contraintes méséstime le potentiel de flexibilité des réacteurs, ce qui pourrait impacter les résultats de simulation, donc l'évaluation du rôle du nucléaire dans les futurs systèmes électriques décarbonés.Afin de déterminer l'impact de la non représentation de ces contraintes sur les résultats des modèles de simulation, cette thèse propose ensuite une méthode permettant de les implémenter dans un modèle de système électrique simplifié dont la part de la demande couverte par les renouvelables varie de 0% à 80% selon les cas de sensibilités. Les résultats de simulation permettent de déterminer que dans les cas où la pénétration des énergies renouvelables dans le système est élevée, la représentation de ces contraintes diminue l'estimation des coûts du système, mais aussi le niveau des émissions, et l'écrêtement des renouvelables. Ainsi, l'inclusion du calendrier de fonctionnement et de l'évolution de la puissance minimale des réacteurs dans les pratiques de modélisation semble déterminante pour l'évaluation de mix électriques combinant de fortes parts de renouvelables et du nucléaire.Dès lors, la dernière partie de la thèse étend cette approche en incluant les contraintes de flexibilité dans un modèle d'optimisation des capacités de production visant la décarbonation d'un système électrique détaillé, basé sur une représentation de l'Europe en 2050. Le modèle permet l'investissement en capacités de production décarbonées, dont renouvelables et nucléaire, et en interconnexions entre pays, en visant un coût complet minimal de fonctionnement du système. Ces simulations concluent que la majorité de la production serait assurée par les renouvelables, ces capacités étant peu chères et à fort potentiel de développement. Le reste de la demande est en partie complétée par des nouveaux programmes nucléaires qui apparaissent comme « sans-regret » puisque de réacteurs sont installés même dans le scénario de dérive des coûts du nucléaire le plus défavorable. En dehors de ce scénario, le potentiel de développement nucléaire est maximisé, ce potentiel étant limité par les durées de construction, les chaines d'approvisionnement et la volonté des pays à considérer de nouveaux réacteurs. Dans de tels mix de production, les réacteurs fonctionneraient de manière flexible, avec un facteur de charge réduit et un nombre de manœuvres de puissance plus conséquent. La thèse conclue quant à la viabilité technique et économique d'un tel mode de fonctionnement pour les réacteurs à eau pressurisée.

Due to the decarbonization of the French and European electricity systems, renewable energies, especially solar and wind capacities, are expected to ensure an increasing share of the electricity demand. Such a transition will substantially impact the electricity system, particularly by increasing the need for flexibility to maintain a constant balance between supply and demand. Thus, pressurized water reactors, primarily used as baseload to recover their high fixed costs, will have to participate in the system's flexibility requirements and compete with other sources (hydroelectricity, batteries, demand side response...).The present thesis first summarizes the flexibility constraints of pressurized water reactors. It then focuses on the phenomena influencing a nuclear fleet operational schedule and each reactor's minimum power evolution throughout their irradiation cycle, as these two parameters partly determine the flexibility capacity of reactors. A literature analysis shows that power system simulation models rarely consider these flexibility constraints to determine the capacity and operation of reactors in systems with a high share of renewable energy. The lack of representation of these constraints misestimates the flexibility potential of reactors, which could impact the simulation results. Thus, the role of nuclear power in future decarbonized power systems could be misevaluated.This thesis then proposes a method to implement flexibility constraints in a simplified power system model where the share of demand covered by renewables varies from 0% to 80% depending on the sensitivity case, aiming to determine the impact of the non-representation of these constraints on the results of simulation models. The simulation results show that in cases where the penetration of renewables in the system is high, the representation of these constraints decreases the evaluation of system costs, emissions levels, and renewables curtailment. Thus, the inclusion of reactors' operational schedule and minimum power evolution in modeling practices seems to be decisive for evaluating power mixes combining high shares of renewables and nuclear.Therefore, the last part of the thesis extends this approach by including flexibility constraints in a capacity optimization model aiming to decarbonize a complex power system based on a representation of Europe in 2050. The model allows for investment in decarbonized generation capacities, including renewables and nuclear, and interconnections between countries, aiming at a minimum full system cost. The simulation results conclude that renewables would provide most of the electric demand, as these technologies are cost-competitive and have high development potential. The residual demand is partly ensured by new nuclear programs, the implementation of which is cost-optimal even in the most unfavorable nuclear scenario that assumes consequent cost overruns. Apart from this scenario, the nuclear development potential is maximized, as the number of installable reactors is limited by construction durations, supply chain constraints, and countries' willingness to pursue a future nuclear program. In such production mixes, nuclear reactors would operate flexibly, with a reduced load factor and a higher number of power maneuvers. The thesis concludes by discussing the technical and economic viability of such an operating mode for pressurized water reactors.