Modélisation et optimisation de réseaux électriques insulaires à moyen et long terme : étude de l'impact de l'intégration de l'hydrogène à La Réunion - application aux mobilités et au stockage réseau

Modeling and optimization of insular power systems in the medium and long term : study of the impact of the integration of hydrogen in Reunion Island - application to mobility and grid storage

• Auteur / Autrice : Agnès Francois
• Direction : Robin Roche, Michel Benne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Roboam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robin Roche, Michel Benne, Marie-Cécile Alvarez-Hérault, Catherine Azzaro-Pantel, Dominique Grondin, Nathalie Kroichvili, Robin Girard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Cécile Alvarez-Hérault, Catherine Azzaro-Pantel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Autonomie énergétique

Transition énergétique

Hydrogène

Réseaux électriques (énergie)

Mots clés libres

Hydrogène

Réseaux électriques

Transition énergétique

Prospective énergétique

Optimisation

Mobilité

Hydrogen

Electricity networks

Energy transition

Energy forecast

Optimization

Mobility

Résumé

Avec une situation énergétique qui leur est propre, les territoires insulaires ambitionnent de réaliser une transition vers l’autonomie énergétique. Parmi les moyens pouvant permettre à un territoire de réduire ses importations d’énergie, on trouve le développement de nouveaux vecteurs énergétiques, comme l’hydrogène. Que ce soit comme carburant pour la mobilité ou comme moyen de stockage de l’électricité, celui-ci peut présenter des opportunités pour le développement de filières technologiques et énergétiques locales. L’objectif de la thèse est ainsi d’étudier un réseau électrique insulaire tendant vers l’autonomie énergétique, et l’impact sur celui-ci de l’intégration de l’hydrogène. Les recherches effectuées sont appliquées au cas d'étude de l'île de La Réunion, territoire dépendant énergétiquement à 88 % en 2021.La première étape du travail a permis d’étudier le réseau électrique actuel et de rassembler les données le décrivant afin de pouvoir le modéliser, le simuler et l'optimiser par la suite. Après une étude de la littérature, des scénarios de capacité installée de production d’électricité aux horizons 2030 et 2050 ont été proposés. Ces scénarios ont ensuite été testés au sein du réseau électrique modélisé, afin de vérifier leur capacité à satisfaire différents scénarios de consommation électrique. Cette capacité a été étudiée à l’aide d’une optimisation de type programmation linéaire avec l’outil PyPSA, adapté au cas d’étude avec la modélisation du réseau de transport sous haute tension de l’électricité. Via une minimisation des coûts de fonctionnement du réseau, ainsi que d’investissement dans le renforcement des lignes et dans l’installation de batteries, les impacts techniques, économiques et environnementaux de chaque scénario ont été évalués et comparés.Une fois ce travail effectué, la transition du secteur de la mobilité a été étudiée. Notamment, l'usage de l'hydrogène comme carburant dans des véhicules ou comme réactif pour la production de carburants alternatifs pour les secteurs aérien et maritime a été modélisé. Le dimensionnement des différentes technologies nécessaires (électrolyseurs, stockages hydrogène) ainsi que l'impact global sur le réseau électrique ont été évalués. Pour cela, de nouvelles contraintes de satisfaction de la demande en hydrogène ont été rajoutées au problème d’optimisation initial, ainsi qu’un terme dans la fonction objectif sur la minimisation des coûts d’investissement des technologies hydrogène. Afin d’évaluer la pertinence de l’hydrogène pour le cas d’étude, une comparaison technique, économique et environnementale entre véhicules électriques à batterie et avec de l’hydrogène a été effectuée pour un réseau d’autocars. Les résultats obtenus montrent une utilisation de l'hydrogène limitée par rapport aux solutions électriques à batterie, bien que cela dépende des évolutions technologiques futures, qui restent incertaines. Si le secteur maritime pourrait entamer une transition renouvelable localement grâce à de l’e-ammoniac, plus de moyens devront être mis en place pour décarboner le secteur aérien à partie d’e-kérosène.L'hydrogène comme moyen de stockage de l'électricité du réseau sur de longues durées a finalement été intégré au modèle, et différents critères économiques, environnementaux ou encore géographiques ont été analysés via la mise en place d’une optimisation multi-objectif. Dans le cas d’un optimal économique, le besoin en stockage longue durée est limité et n'apparaît que dans des conditions météorologiques bien particulières. Pour identifier les solutions de stockage les plus appropriées, des recherches supplémentaires seront cependant nécessaires.Globalement, l’autonomie énergétique du territoire devra passer par une réduction de la consommation et un développement maximal des ressources locales.

With their own unique energy situation, island territories are aiming to achieve a transition towards energy self-sufficiency. One of the ways in which a region can reduce its energy imports is by developing new energy carriers, such as hydrogen. Whether as a fuel for mobility or as a means of storing electricity, hydrogen can present opportunities for the development of local technological and energy sectors. The aim of this thesis is to study an island electricity network moving towards energy self-sufficiency, and the impact on it of the integration of hydrogen. The research carried out is applied to the case study of Reunion Island, a territory that was 88 % energy dependent in 2021.The first stage of the work involved studying the current electricity network and gathering the data describing it so that it coulb be modeled, simulated and later optimized. Following a study of the literature, scenarios were proposed for installed electricity generation capacity in 2030 and 2050. These scenarios were then tested within the modelled electricity network, in order to verify their capacity to satisfy different electricity consumption scenarios. This capacity was studied using linear programming optimisation with the PyPSA tool, adapted to the case study with the modelling of the high-voltage electricity transmission network. The technical, economic and environmental impacts of each scenario were assessed and compared by minimising network operating costs, as well as investment in line reinforcements and in the installation of batteries.Once this work had been completed, the region's energy self-sufficiency was studied, in particular the transition in the mobility sector. In particular, the use of hydrogen as a fuel in vehicles or as a reagent in the production of alternative fuels for the aviation and maritime sectors was modelled. The sizing of the various technologies required (electrolysers, hydrogen storage) and the overall impact on the electricity grid were assessed. To do this, new hydrogen demand satisfaction constraints were added to the initial optimization problem, as well as a term in the objective function on minimising the investment costs of hydrogen technologies. In order to assess the relevance of hydrogen for the case study, a technical, economic and environmental comparison was made between battery-electric and hydrogen-powered vehicles for a network of coaches. The results obtained show a limited use of hydrogen compared with battery electric solutions, although this depends on future technological developments, which remain uncertain. While the maritime sector could initiate a renewable transition locally using e-ammonia, more resources will need to be put in place to decarbonise the aviation sector using e-kerosene.Hydrogen as a means of storing electricity on the grid over long periods was finally incorporated into the model, and various economic, environmental and geographical criteria were analysed using a multi-objective optimisation. In the case of optimum economic conditions, the need for long-term storage is limited and only arises in very specific weather conditions. However, further research will be needed to identify the most appropriate storage solutions.Overall, the region's energy self-sufficiency will require a reduction in consumption and maximum development of local resources.