Regionalized climate projections of consumption in Europe and mainland France.

• Auteur / Autrice : Hajar Filahi
• Direction : Philippe Drobinski, Boutheina Oueslati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies industrielles
• Date : Soutenance le 03/05/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....) - Laboratoire de Météorologie Dynamique
• Jury : Président / Présidente : Sourour Elloumi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Drobinski, Boutheina Oueslati, Vincent Viguié, Julien Boe, Jérôme Servonnat, Bénédicte Jourdier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Viguié, Julien Boe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques

Électricité -- Consommation

Énergie

Climat

Mots clés libres

Climat

Energie

Consommation electrique

Changement climatique

Projections Climatiques

Climate

Energy

Power demand

Climate change

Climate projections

Résumé

L'impact du changement climatique sur la demande d'électricité joue un rôle essentiel dans la mise en place de politiques d'adaptation et d'atténuation du changement climatique. Surtout dans le cadre de l'ambition européenne d'atteindre la neutralité carbone, les informations sur les impacts du changement climatique sur la demande d'électricité sont indispensables pour le développement de stratégies axées à la fois sur l'adaptation et l'atténuation, ainsi que pour le dimensionnement du futur parc électrique.Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et a pour objectif d'étudier l'impact du changement climatique sur la demande d'énergie en Europe de manière générale, et les impacts au niveau de la France métropolitaine et de ses régions plus particulièrement.La première étape de l'étude consiste à sélectionner un sous-ensemble de données climatiques représentatif des évolutions futures, optimal et robuste. Ainsi, nous avons développé une approche pour sélectionner un sous-ensemble de dix modèles CMIP6 afin d'évaluer l'impact du changement climatique sur la demande d'énergie en Europe. Le processus de sélection développé combine deux critères appliqués à la température. Le premier consiste à choisir un sous-ensemble de modèles qui représente l'ensemble de la gamme des changements de température possibles par rapport au climat historique. Le deuxième considère les performances des simulations historiques CMIP6 sur l'Europe. La méthodologie de sélection garantit la diversité des évolutions futures possibles parmi les modèles les plus performants.La deuxième étape de l'étude s'intéresse à l'impact du changement climatique sur la fragmentation temporelle des besoins de chauffage et de climatisation, et ses implications sur le système énergétique en Europe sous quatre scénarios (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0 et SSP5-8.5), en considérant les simulations CMIP6 régionalisées et corrigées sur une grille de résolution horizontale de 25×25 km sur l'Europe. En utilisant les degrés jours de chauffage (HDD) et de refroidissement (CDD) comme proxies, nous montrons une forte diminution des HDD sur l'Europe et une augmentation des CDD. En plus, l'étude met en évidence des périodes de chauffage plus courtes mais plus fréquentes dans le futur, résultant en une fragmentation de la demande d'énergie pour le chauffage. Les besoins de refroidissement en été devraient être plus fréquents et durer plus longtemps. La fragmentation des besoins énergétiques thermosensibles pour le chauffage, devrait avoir un impact opérationnel et économique sur l'équilibrage du système énergétique.Dans la dernière partie de la thèse, nous nous sommes concentrés sur le cas de la France pour analyser l'impact du changement climatique sur la consommation d'électricité et ses extrêmes au niveau national et régional. À cette fin, nous avons calibré un modèle additif généralisé pour produire des projections futures de la consommation d'électricité en France à usage constant. Les résultats montrent une diminution de la consommation d'électricité en hiver dans toutes les régions françaises et une augmentation de la consommation en été. Dans les régions du sud, la consommation d'électricité en été devrait augmenter significativement en comparaison aux autres régions.L'analyse des extrêmes de consommation montre que les vagues de froid sont toujours susceptibles de se produire en France, bien que moins fréquemment. Aujourd'hui, l’appel de puissance supplémentaire dû à une demande de chauffage extrême est supérieur de 25% la demande électrique moyenne en hiver. Dans le futur, en combinant l’évolution des tendances de la demande électrique moyenne et extrême, l’appel de puissance électrique supplémentaire pour répondre à une demande électrique excédentaire pendant les vagues de froid pourrait dépasser 35 % de la demande moyenne de puissance en hiver d’ici la fin du siècle pour le scénarios SSP3-7.0, ce qui entraîne une plus grande vulnérabilité du système d'alimentation électrique.

The potential impacts of climate change on electricity demand are essential for the formulation of effective adaptation and mitigation policies. Specifically, electricity consumption holds a key role in adapting to climate change in the context of the European ambition to achieve carbon neutrality and mitigation strategies. Consequently, information on the impacts of climate change on electricity demand is essential for the development of strategies focused on both adaptation and mitigation as much for the sizing of the future electric fleet.In this regard, the main objective of this thesis is to provide more reliable information about the potential impacts of climate change on energy demand in Europe in general, and the impacts on metropolitan France and its regions in particular. The first step of the study consists of selecting a robust and representative subset of climate data. An approach for the selection of a subset of ten climate models participating in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) is proposed to assess the impact of climate change on the energy demand in Europe. The developed process of selection combines two main criteria applied to the daily mean, maximum, and minimum air temperature from all CMIP6 climate models. The first criterion consists of choosing a subset of models that represents the whole range of possible temperature changes in the future compared to the historical climate. The second one considers the skills of the CMIP6 historical simulations over Europe with respect to ERA5 climatology. The methodology of selection allows the maximization of the diversity of climate projections among the best-performing models.The second part of the study investigates the impact of climate change on the temporal fragmentation of heating and cooling needs and its implication on the energy power system in Europe under four anthropogenic scenarios (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, and SSP5-8.5), using downscaled and bias-adjusted simulations at 25×25km horizontal resolution over Europe. Using heating degree days (HDD) and cooling degree days (CDD) as proxies, we show a large decrease in HDD over Europe and an increase in CDD. This result is consistent with already published literature. However, the study goes one step further by showing a fragmentation of the periods of heating needs during winter in the future which can potentially lead to a fragmentation of heating energy demand. The cooling needs in summer are expected to be more frequent and last longer in the future. The fragmentation of temperature-sensitive energy needs for heating and to a lesser extent for cooling are expected to have an operational and economical impact on the balancing of the energy system.The last part of the thesis focuses on the case of France to analyze the impact of climate change on electricity consumption and its extremes at the national level and then at the regional level. For this purpose, we calibrated a generalized additive model to produce future projections of electricity consumption in France at constant usage. The results show a decrease in electricity consumption in winter in all French regions and an increase in electricity consumption in summer. In the southern regions of France, summer electricity consumption is expected to increase significantly compared to the other regions. The analysis of extreme consumption shows that extreme cold is still likely to occur in France, albeit less frequently. Today, the additional power supply to meet extreme heating demand is 25% higher than the average winter electricity demand. In the future, combining changing trends in average and extreme power demand, additional power supply to meet excess power demand during cold spells could exceed 35% of the average winter power demand at the end of the century for SSP3-7.0 scenarios, which increased the vulnerability of the power supply system.