Vers un système énergétique décarboné en Europe en 2050 : impact des couplages vectoriels et des limites au déploiement des renouvelables

Towards a Decarbonized Energy System in Europe in 2050 : Impact of Vector Coupling and Renewable Deployment Limits

• Auteur / Autrice : Marie-Alix Dupré la Tour
• Direction : Philippe Quirion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Economie de l'environnement
• Date : Soutenance le 07/02/2023
• Etablissement(s) : Paris, EHESS
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École des hautes études en sciences sociales
• Jury : Président / Présidente : Anna Creti-Bettoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Creti-Bettoni, Robin Girard, Magnus Korpas, Julie Sliwak
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Robin Girard, Magnus Korpas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conversion photovoltaïque

Environnement

Aspect économique

Ressources énergétiques

Énergies décarbonées

Changements climatiques

Prix

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Energies renouvelables

Couplages énergétiques

Prix des vecteurs

Besoin de flexibilité

Coordination

Renewables

Vector coupling

Vector prices

Flexibility requirement

Coordination

Résumé

Pour lutter contre le changement climatique, l'Europe s'est engagée à ce que son système énergétique soit décarboné d'ici 2050.Le système électrique présente un important potentiel de décarbonation. Il peut ainsi contribuer à la décarbonation d'autres vecteurs (hydrogène par exemple), qui auront donc tendance à s'électrifier davantage. Cette thèse s'est donc concentrée d’une part sur la décarbonation du système électrique, et d’autre part sur l'interaction entre les différents vecteurs énergétiques. La décarbonation du vecteur électrique reposera sur l'utilisation des énergies renouvelables. Or, les études qui évaluent leur potentiel obtiennent des valeurs très différentes. Dans le premier chapitre, à travers une revue systématique de la littérature des études de potentiel éolien et photovoltaïque en Europe, la variabilité de ces valeurs a été examinée. Ce chapitre montre que les limites surfaciques des potentiels ne sont pas restrictives, et la variabilité des valeurs est due à l'ajout de critères socio-politiques dans les calculs de potentiel. In fine, la limite au développement des énergies renouvelables ne sera pas la faisabilité technique mais la volonté politique et sociétale et les contraintes du secteur industriel, y compris la disponibilité des ressources naturelles nécessaires, comme les métaux par exemple. Dans un deuxième chapitre, le fonctionnement et les prix du système énergétique couplé, à capacités fixes, ont été étudiés. L'influence des couplages sur les prix des vecteurs énergétiques a été soulignée. En particulier, la flexibilité de la demande en gaz de synthèse (via l'électrolyse) pourrait fixer les prix de l'électricité sur une majorité des pas de temps de l'année. De plus, l’importance de la gestion saisonnière des stocks dans la formation des prix du gaz, et donc de l'électricité, a été mise en évidence. Par ailleurs, pour fonctionner de manière optimale, un tel système nécessite un haut niveau de coordination entre les vecteurs : les variantes qui dégradent la coordination montrent une augmentation significative des coûts d'exploitation du système énergétique. Enfin, un troisième chapitre a traité des conséquences des couplages énergétiques sur les besoins en flexibilité du système. Des variantes sur chaque vecteur ont été analysées à travers l'évaluation des besoins en flexibilité via des indicateurs sur plusieurs échelles de temps. En particulier, l'intérêt de la coordination entre les vecteurs a été confirmé : elle permet aussi d'éviter des investissements massifs.

To address climate change, Europe is committed to a decarbonized energy system by 2050.The power system has a large potential for decarbonization. It can thus contribute to the decarbonization of other vectors (hydrogen for example), which will therefore tend to become more electrified. Therefore, this thesis has focused on the decarbonization of the power system on the one hand, and the interaction between the various energy vectors on the other.The decarbonization of the power vector will involve the use of renewable energies. However, the studies that evaluate their potential obtain very different values. In the first chapter, which consisted of a systematic literature review of wind and photovoltaic studies of potential in Europe, the variability of these values was examined. The areal limits of the potentials are not restrictive, and the variability of the values is due to the addition of socio-political criteria to the calculations of potential. Ultimately, the limit to the development of renewables will not be technical feasibility but political and societal will and limits of the industrial sector, including the availability of the necessary natural resources (metals, etc.).In a second chapter, the operation and prices of this coupled system with fixed capacities were studied. The influence of the couplings on the prices of the energy vectors was underlined. In particular, the flexibility of the demand for synthesis gas (via electrolysis) could set the electricity prices on a majority of the time steps of the year. The importance of seasonal stock management in the formation of gas prices, and therefore electricity prices, was highlighted. To operate optimally, such a system requires a high level of coordination between vectors. Variants that degrade coordination show a significant increase in the operating costs of the energy system.Finally, a third chapter addressed the consequences of energy couplings on the system flexibility requirements. Variants on each vector were analyzed through the evaluation of the flexibility needs based on indicators on several time scales. In particular, the interest of coordination between vectors was confirmed: it also avoids massive investments.