Décarbonisation de la consommation d'énergie dans le secteur résidentiel en France dans le contexte du changement climatique

Decarbonizing energy consumption in the residential sector in France in the context of climate change

• Auteur / Autrice : Qiqi Tao
• Direction : Philippe Drobinski, Alexis Tantet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 04/06/2024
• 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 : Patricia Crifo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Drobinski, Alexis Tantet, Louis-Gaëtan Giraudet, Jairo Cugliari, Anne Migan-Dubois, Roberta Quadrelli, Victor Homar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Louis-Gaëtan Giraudet, Jairo Cugliari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ressources énergétiques

Changements climatiques

Décarbonation

Mots clés libres

Décarbonation

Changement climatique

Systèmes énergétiques

Decarbonization

Climate change

Energy systems

Résumé

Le secteur résidentiel est important pour la transition énergétique visant à lutter contre le réchauffement climatique. En raison de la variabilité géographique des facteurs socio-économiques, la consommation d'électricité du secteur résidentiel (REC), très dépendante, doit être étudiée localement. La première partie de mon étude vise à projeter les futures REC françaises, en considérant les scénarios de changement climatique et de climatisation (AC) et en quantifiant leur variabilité spatiale. Pour ce faire, un modèle linéaire de sensibilité à la température adapté aux données annuelles de consommation d'électricité observées et à la température historique est appliqué à l'échelle intrarégionale. Les futures REC sensibles à la température sont calculées en utilisant le modèle pour les projections de température dans le cadre du changement climatique RCP8.5. L'augmentation des températures entraîne une diminution globale des REC (-8~TWh d'ici 2040 et jusqu'à -20~TWh d'ici 2100) avec une variabilité spatiale significative. L'évolution des REC est modulée par l'évolution des besoins de refroidissement et le déploiement des systèmes de climatisation pour répondre à ces besoins. Le scénario AC le plus extrême montre une augmentation potentielle des REC due à l'utilisation de l'AC de 2 % d'ici 2040 et de 32 % d'ici 2100. Nous voulons décarboniser le secteur résidentiel une fois que nous aurons finalisé la projection de la consommation d'électricité résidentielle. Deux axes principaux sont étudiés : le premier vise à étudier la performance des rénovations. Pour ce faire, un modèle linéaire modifié de sensibilité à la température basé sur l'étude précédente est utilisé en incluant les variables des âges de construction de sorte que la consommation sensible à la température par groupes de périodes de construction est estimée pour chaque région administrative. Ces consommations sensibles à la température estimées sur la base de la consommation réelle sont dominées par le chauffage et peuvent être comparées à la consommation théorique de chauffage calculée par le calcul standard du certificat de performance énergétique (EPC). La comparaison fait apparaître une nette différence ; cette différence entre la consommation réelle et la consommation conventionnelle est également connue sous le nom d'écart de performance énergétique. Le deuxième axe consiste à décarboniser le secteur résidentiel en mettant en œuvre l'autoconsommation par l'installation de panneaux photovoltaïques sur les toits. Cependant, en raison de la nature variable de l'énergie photovoltaïque, son intégration ajoute de la complexité à la gestion du réseau, nécessitant un examen minutieux du bilan énergétique. Cette étude se concentre sur l'intégration du photovoltaïque distribué sur les toits dans la métropole du Grand Paris afin d'équilibrer l'offre et la demande d'énergie, en mettant l'accent sur des aspects techniques tels que le taux d'autoconsommation (SCR) et le taux d'autosuffisance (SSR). La recherche utilise des profils de consommation d'électricité en temps réel et des données de production d'énergie solaire pour explorer différentes échelles de complémentarité des acteurs afin de maximiser le taux d'autoconsommation et le taux d'autosuffisance. Les principales conclusions soulignent que le partage de l'énergie entre les secteurs réduit considérablement les pertes excédentaires de l'énergie photovoltaïque et améliore la stabilité du réseau, les avantages augmentant au fur et à mesure que le périmètre de partage s'accroît. Pour différents secteurs, l'amélioration du taux de récupération de la chaleur due à la complémentarité sectorielle varie de 10 % à 113 %. Pour différentes zones, l'amélioration de la SSR et de la SCR due à l'extension du périmètre de partage de l'énergie varie de 0,3 % à 22 %.

The residential sector is important for the energy transition to combat global warming. Due to the geographical variability of socio-economic factors, the highly dependent residential electricity consumption (REC) should be studied locally. The first part of my study aims to project future French RECs, considering climate change and air-conditioning (AC) scenarios and quantifying their spatial variability. For this purpose, a linear temperature sensitivity model fitted by annual observed electricity consumption data and historical temperature is applied at an intra-regional scale. Future temperature-sensitive REC is computed by using the model to temperature projections under the climate change pathway RCP8.5. Increasing temperatures lead to an overall REC decrease (-8~TWh by 2040 and down to -20~TWh by 2100) with significant spatial variability. The evolution of REC is modulated by the evolution of cooling needs and the deployment of AC systems to meet those needs. In the first 2 AC scenarios, the decrease in REC due to climate change could be offset in the South of France, which would then display an increase in REC. When the 2 AC scenarios are combined, an increase in REC could be seen over the whole country. The most extreme AC scenario shows a potential REC rise due to AC usage by 2% by 2040 and 32% by 2100. We want to decarbonize the residential sector once we finalize the projection for residential electricity consumption. Two principle axes are studied: the first aims to study retrofitting performance. For this purpose, a modified linear temperature sensitivity model based on the previous study is used by including the variables of the construction ages so that the temperature-sensitive consumption by groups of construction periods is estimated for each administrative region. These temperature-sensitive consumptions estimated based on actual consumption are heating-dominated and can be compared to the theoretical heating consumption calculated by the standard energy performance certificate (EPC) calculation. A clear difference can be seen from the comparison; this difference between actual and conventional consumption is also known as the energy performance gap. The second axis is to decarbonize the residential sector by implementing self-consumption by installing photovoltaic panels on rooftops. However, due to the variable nature of PV, its integration adds complexity to grid management, requiring careful consideration of the energy balance. This study focuses on integrating distributed rooftop PV in the Grand Paris metropolis to balance energy supply and demand, emphasizing technical aspects such as self-consumption rate (SCR) and self-sufficiency rate (SSR). The research uses real-time electricity consumption profiles and solar power generation data to explore different scales of complementarity of actors to maximize SSR and SCR. Key findings highlight that allowing energy sharing between sectors significantly reduces PV excess losses and improves grid stability, with benefits increasing as the sharing perimeter increases. For different sectors, the improvement in SCR due to sector complementarity varies from 10% to 113%. For different areas, the improvement in SSR and SCR due to extending the energy-sharing perimeter varies from 0.3% to 22%. In economic terms, rooftop PV installations offer greater savings for residents and businesses in the periphery than in central Paris. The study concludes that extending the energy-sharing perimeter in urban areas optimizes the use of PV production and contributes to more sustainable and resilient urban energy systems.