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 : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 18/11/2024
• 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 (UMR 8539)
• Jury : Président / Présidente : Anna Creti-Bettoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jan Polcher, Philippe Quirion, Nathalie Voisin, Eric Martin, Sylvie Parey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Voisin, Eric Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Changements climatiques

Énergie hydraulique

Mots clés libres

Hydroélectricité

Changement climatique

Energies renouvelables

Gestion de l'eau

Hydropower

Climate change

Renewable energies

Water management

Résumé

La production hydroélectrique française sera exposée à d’importants changements dans les années à venir. D’une part le réchauffement climatique accentue les contrastes saisonniers de précipitations et augmente la demande évaporative, modifiant les débits des rivières et donc la ressource disponible pour les centrales hydroélectriques. D’autre part, l’intégration croissante d’énergies renouvelables variables prévue par les politiques d’atténuation des émissions modifie les besoins de flexibilités du système électrique. Enfin, la gestion des réservoirs hydroélectriques dépend également des autres usages de l’eau et sera donc influencée par leur évolution.Dans cette thèse, nous proposons une approche intégrée de modélisation pour quantifier et analyser ces différents effets et leur interaction. Notre approche repose sur le couplage d’un modèle climatique de surface continentale (LSM) et d’un modèle d’optimisation du système électrique (PSM), qui nous permet de représenter conjointement les contraintes liées au climat et au système électrique.Nous représentons l’opération multi-objectifs des réservoirs hydroélectriques dans le LSM et utilisons la production simulée par le PSM comme cible pour guider l’opération des réservoirs. Inversement, les contraintes de production hydroélectriques du PSM sont définies à partir des simulations du LSM. Nous montrons que cette approche intégrée améliore à la fois la modélisation de l’écoulement des rivières dans le modèle climatique et celle du dispatch de la production dans le modèle électrique. Surtout, cela permet de simuler la réponse de la production hydroélectrique à différents scénarios de changement climatique et de système électrique.Concernant le futur de la production hydroélectrique en France, nous trouvons un effet limité du changement climatique à l'échelle annuelle mais des contrastes saisonniers plus marqués avec une augmentation de la production en hiver et une diminution en été. Par ailleurs, l’intégration d’énergies renouvelables variables modifie le profil de production des centrales réservoirs et augmente la valeur de la flexibilité offerte par les réservoirs hydroélectriques.Toutefois, notre étude met aussi en évidence une importante incertitude sur les niveaux futurs de production hydroélectrique liée aux projections climatiques, et sur les prix de l'électricité liée aux coûts de production des centrales thermiques décarbonées.

French hydropower production is expected to undergo major changes in the coming years. On the one hand, global warming intensifies seasonal precipitation contrasts and increases evaporative demand, altering river flows and, consequently, the water resources available for hydropower plants. On the other hand, the growing integration of variable renewable energies, encouraged by CO2 emission mitigation policies, changes the flexibility requirements of the electrical system. Finally, the management of hydropower reservoirs also depends on the evolution of other water uses.In this thesis, we propose an integrated modeling approach to simulate and quantify these different effects and their interaction. Our approach is based on the coupling of a land surface model (LSM) and a power system optimization model (PSM), enabling us to jointly represent the constraints related to climate and the electrical system.We represent the multipurpose operation of hydropower reservoirs in the LSM and use the power generation time series simulated by the PSM as a target to guide reservoir operations. Conversely, the hydropower production constraints used in the PSM are defined based on LSM simulations. We show that this integrated approach enhances both the representation of river flows in the climate model and of production dispatch in the PSM. Most importantly, it allows us to simulate the response of hydropower production to different scenarios of climate change and power system configurations.Regarding the future of hydropower production in France, we find a limited impact of climate change at the annual scale but more pronounced seasonal contrasts, with increased production in winter and decreased production in summer. Besides, the integration of variable energy modifies the production pattern of reservoir power plants and increases the value of the flexibility provided by hydropower reservoirs.However, our study also highlights significant uncertainty in future production levels and electricity prices, linked to uncertainties in climate projections and the future cost of decarbonized thermal power plants.