L'hydroélectricité à l'épreuve du changement climatique : modélisation couplée des systèmes hydrologiques et électriques pour l'adaptation et l'atténuation

Hydropower in a changing climate: coupled modeling of hydrological and electricity systems for adaptation and mitigation

• Auteur / Autrice : Laure Baratgin
• Direction : Jan Polcher, Philippe Quirion
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMD - Laboratoire de Météorologie Dynamique

Mots clés

Mots clés libres

Hydroélectricité

Changement climatique

Energies renouvelables

Gestion de l'eau

Hydropower

Climate change

Renewable energies

Water management

Résumé

Le LMD et le CIRED travaillent actuellement à représenter la gestion anthropique de l'eau dans le modèle de surface continentale ORCHIDEE (Zhou et al., 2021). Cette représentation des débits réels est essentielle pour étudier l'évolution de la ressource hydrologique sous les actions conjointes du changement climatique et sa gestion par l'homme. Une importante diminution des débits fluviaux est attendue en Europe Méditerranéenne (Schneider et al., 2013) tandis que des demandes d'eau croissantes sont projetées pour l'irrigation (assèchement du sol et demande évaporative de l'atmosphère) et l'hydroélectricité (rôle clé dans la transition vers les mix électriques riches en énergies renouvelables prévues par la directive (UE) 2018/2001). Une augmentation de la température des cours d'eaux est également attendue, menaçant le refroidissement des centrales thermiques pendant l'été. En France, où le mix électrique dépend fortement de la ressource hydrologique, les tensions entre usages de l'eau risquent de se multiplier, menaçant le système électrique et sa transition. Notre projet de recherche interdisciplinaire vise à étudier les impacts sur le système électrique français de cette évolution conjointe de la ressource hydrologique et de ses usages. Nous commencerons par évaluer l'évolution de la ressource hydrologique naturelle en réponse au changement climatique en exploitant les simulations en cours du modèle ORCHIDEE intégrant son module fluvial (Nguyen-Quang, 2018), forcées par l'ensemble de projections climatiques EuroCORDEX. Nous déterminerons ensuite l'évolution de la demande pour l'irrigation à partir des données du stress hydrique des cultures et du module de gestion anthropique de l'eau qui prédit si les ressources permettent de satisfaire cette demande. Les données résultantes des débits et des volumes des réservoirs nous permettront de définir un potentiel de production hydroélectrique qui pourra ensuite être utilisé en entrée du modèle EOLES, le modèle d'optimisation des mix électriques nationaux développé par le CIRED (Shirizadeh et al., 2020). Cela permettra d'améliorer la modélisation hydroélectrique (centrales au fil de l'eau, barrages et STEP) de EOLES, pour le moment définie à partir de simples observations statistiques, et de définir des profils de production solaire, éolienne, hydraulique et de demande électrique cohérents entre eux et avec les données météorologiques. Nous pourrons ainsi regarder comment le mix optimal évolue avec ces nouveaux paramètres. Dans une seconde partie nous ajouterons à cette première étude les effets du changement climatique et de la gestion humaine de l'eau sur le refroidissement des centrales nucléaires. Les centrales thermiques doivent en effet respecter une contrainte maximale de température de l'eau en aval et seront donc conjointement impactées par la diminution des débits et l'élévation de la température. Nous placerons les différentes centrales dans le modèle ORCHIDEE afin d'évaluer la perte de disponibilité des centrales due à ces deux effets. Enfin, nous analyserons l'impact sur le mix électrique de l'ensemble de ces contraintes d'usage de l'eau pour différents scenarios de développement des énergies bas-carbone variables (éolien et photovoltaïque) avec le modèle EOLES. Cette thèse, en couplant modélisation hydro-climatique et énergétique, permettra de compléter l'état des connaissances sur la vulnérabilité des énergies renouvelables au changement climatique puisque pour le moment seule l'évolution hydrologique naturelle est prise en compte. Elle permettra également d'identifier les éventuelles tensions d'usages qui pourront survenir dans certains territoires afin d'alerter les pouvoirs publics sur l'urgence d'y proposer des solutions d'adaptation. Ce projet sera résolument novateur par son caractère transdisciplinaire.

LMD and CIRED are currently working to represent anthropogenic water management in the continental surface model ORCHIDEE (Zhou et al., 2021). This representation of real flows is essential to study the evolution of the hydrological resource under the joint actions of climate change and its management by humans. A significant decrease in river flows is expected in Mediterranean Europe (Schneider et al., 2013) while increasing water demands are projected for irrigation (soil drying and evaporative demand from the atmosphere) and hydropower (key role in the transition to renewable energy rich electricity mixes foreseen by Directive (EU) 2018/2001). An increase in river temperatures is also expected, threatening the cooling of thermal power plants during the summer. In France, where the electricity mix is highly dependent on hydrological resources, tensions between water uses are likely to increase, threatening the electricity system and its transition. Our interdisciplinary research project aims to study the impacts on the French electrical system of this joint evolution of the hydrological resource and its uses. We will start by assessing the evolution of the natural hydrological resource in response to climate change by exploiting ongoing simulations of the ORCHIDEE model integrating its river module (Nguyen-Quang, 2018), forced by the EuroCORDEX climate projection ensemble. We will then determine the evolution of irrigation demand from crop water stress data and the anthropogenic water management module that predicts whether resources can meet this demand. The resulting data on reservoir flows and volumes will allow us to define a hydroelectric production potential that can then be used as an input to the EOLES model, the national electricity mix optimization model developed by CIRED (Shirizadeh et al., 2020). This will allow us to improve the hydroelectric modeling (run-of-river plants, dams and WWTPs) of EOLES, which is currently based on simple statistical observations, and to define solar, wind, hydro and electricity demand profiles that are consistent with each other and with meteorological data. We will then be able to see how the optimal mix evolves with these new parameters. In a second part we will add to this first study the effects of climate change and human water management on the cooling of nuclear power plants. Thermal power plants must indeed respect a maximum constraint of water temperature downstream and will thus be jointly impacted by the decrease of flows and the increase of temperature. We will place the different power plants in the ORCHIDEE model in order to evaluate the loss of power plant availability due to these two effects. Finally, we will analyze the impact on the electricity mix of all these water use constraints for different development scenarios of variable low-carbon energies (wind and photovoltaic) with the EOLES model. This thesis, by coupling hydro-climatic and energy modelling, will allow to complete the state of knowledge on the vulnerability of renewable energies to climate change since for the moment only the natural hydrological evolution is taken into account. It will also allow us to identify the possible tensions of use that could arise in certain territories in order to alert the public authorities to the urgency of proposing adaptation solutions. This project will be resolutely innovative by its transdisciplinary character.