Sensibilité des systèmes énergétiques avec une forte part d'énergies renouvelables variables aux incertitudes des données climatiques et aux changements climatiques.

Sensitivity of energy systems with large shares of variable renewable energies to climate data uncertainty and climate change

• Auteur / Autrice : Maryam Kadkhodaei
• Direction : Philippe Quirion
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Economie de l’environnement
• Date : Inscription en doctorat le 14/01/2021
• Etablissement(s) : Paris, EHESS
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École des hautes études en sciences sociales

Mots clés

Mots clés libres

Système énergétique

Énergie renouvelable variable (ERV)

Facteur de capacité (FC)

Incertitude

Changement climatique

Energy system

Variable renewable energy (VRE)

Capacity factor (CF)

Uncertainty

Climate change

Résumé

Décarboniser le système énergétique en augmentant l'utilisation des sources d'énergies renouvelables variables (ERV) est essentiel pour réduire les impacts du changement climatique et maintenir le réchauffement climatique en dessous de 2 °C. Les modèles de systèmes énergétiques sont utilisés pour planifier les futurs mélanges énergétiques et évaluer différentes options. À mesure que les sources d'ERV deviennent plus dominantes, ces modèles deviennent plus sensibles aux conditions météorologiques. Cela signifie qu'il est crucial de gérer les incertitudes liées à des facteurs tels que la modélisation des facteurs de capacité (FC) et les effets du changement climatique. Pour mieux comprendre les effets de l'incertitude dans la modélisation des FC, cette thèse examine la sensibilité des coûts totaux du système et de la capacité installée optimale du modèle de système énergétique EOLES aux perturbations uniformes et par quantiles des FC photovoltaïques (PV) et éoliens. Elle compare également la sensibilité lors de l'optimisation à la fois des investissements en capacité et de la gestion des flux, ainsi que lors de l'optimisation uniquement de la gestion des flux. De plus, nous comparons la sensibilité aux perturbations des FC avec celle des dépenses en capital (CAPEX). Les résultats indiquent que les sorties du système sont plus sensibles aux perturbations des FC éoliens qu'aux perturbations des FC PV. Pour les deux sources d'énergie, des impacts plus significatifs sont observés à des plages de quantiles plus basses, représentant des événements de faible production. Dans les systèmes avec une capacité installée fixe, les perturbations négatives entraînent des sensibilités nettement plus élevées que les perturbations positives. De plus, nous constatons que la sensibilité aux FC est comparable à celle des CAPEX. Notre étude suggère qu'une plus grande attention devrait être portée à la précision de la modélisation des FC des ERV, en particulier pour les événements de faible production, et que la planification de la capacité devrait tenir compte des chocs négatifs potentiels dans les FC des ERV. Nous analysons également l'effet du changement climatique sur le système énergétique en France. À cette fin, l'effet du changement climatique sur la demande énergétique ainsi que sur le FC des ERV (PV et éolien) est considéré, en utilisant une approche multi-modèles incorporant cinq modèles climatiques différents sous le scénario RCP8.5. L'analyse utilise le modèle de système énergétique EOLES pour simuler une représentation détaillée du mix énergétique de la France sans carbone. Nos résultats indiquent qu'avec le changement climatique, le coût total du système énergétique diminue principalement en raison des changements dans la gestion des flux et non de l'adaptation des capacités installées. La capacité installée optimale pour l'éolien et le PV diminue également. Notamment, l'étude montre que le changement climatique ne menace pas la sécurité de l'approvisionnement énergétique, même sans adaptation des capacités installées. De plus, l'analyse souligne que pour évaluer avec précision l'impact du changement climatique sur le système énergétique et planifier les capacités installées, il est crucial de considérer simultanément ses effets sur la demande énergétique et sur le FC des ERV.

Decarbonizing the energy system by increasing the use of variable renewable energy (VRE) sources is essential to reducing the impacts of climate change and keeping global warming below 2°C. Energy system models are used to plan future energy mixes and assess different options. As VRE sources become more dominant, these models become more sensitive to weather conditions. This means it is important to manage uncertainties related to factors like capacity factor (CF) modeling and the effects of climate change. To better understand the effects of uncertainty in CF modeling, this thesis investigates the sensitivity of total system costs and optimal installed capacity of the EOLES energy system model to both uniform and quantile range perturbations of PV and wind CFs. It also compares the sensitivity when optimizing both capacity investments and dispatch, as well as when optimizing only dispatch. Additionally, we compare the sensitivity to CF perturbations with that to capital expenditures (CAPEX). Results indicate that system outputs are more sensitive to wind CF perturbations than to PV. For both PV and wind, more substantial impacts are observed at lower quantile ranges, representing low-generation events. In systems with fixed installed capacity, negative perturbations lead to significantly higher sensitivities than positive ones. Moreover, we find that sensitivity to CFs is comparable to the sensitivity to CAPEX. Our study suggests that greater attention should be given to the accuracy of VRE CF modeling, particularly for low-generation events, and that capacity planning should account for potential negative shocks in VRE CF. We also analyze the effect of climate change on the energy system in France. To this end, the effect of climate change on both energy demand and the CF of VRE (PV and wind) is considered, using a multi-model approach incorporating five different climate models under the RCP8.5 scenario. The analysis uses the EOLES energy system model to simulate a detailed representation of carbon-free France's energy mix. Our findings indicate that with climate change, the total cost of the energy system decreases mainly because of changes in dispatch and not adapting the installed capacities. The optimal installed capacity of the wind and PV also decreases. Notably, the study shows that climate change does not threaten energy supply security, even without adaptation of installed capacities. Additionally, the analysis highlights that to accurately assess the impact of climate change on the energy system and plan for installed capacities, it is crucial to consider its effects on both energy demand and CF of VRE simultaneously.