Modélisation de l'économie des systèmes électricité-hydrogène : structure de propriété du Power-to-Gaz, besoins en eau et considérations liées au stockage

Modeling the Economics of Electricity-Hydrogen Systems: Power-to-Gas Ownership, Water Requirements, and Storage Considerations

• Auteur / Autrice : Camille Megy
• Direction : Olivier Massol, Yannick Perez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénierie économique
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire génie industriel (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Economie Durable
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Oualid Jouini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franziska Holz, Vincent Bertrand, Machiel Mulder, Charles Weymuller, Olivier Massol, Yannick Perez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Franziska Holz, Vincent Bertrand

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogène

Power-to-Gas

Couplage sectoriel

Modélisation des systèmes énergétiques

Décarbonisation

Hydrogen

Power-to-Gas

Sector Coupling

Energy system modeling

Decarbonization

Résumé

Le développement conjoint de l'électricité renouvelable et de l'hydrogène est essentiel pour atteindre la neutralité carbone dans le secteur de l'énergie. Les travaux de recherche intégrant à la fois l'électricité et l'hydrogène sont cruciaux pour comprendre les interactions économiques et physiques entre ces deux systèmes. Dans ce contexte, cette thèse présente trois études apportant un éclairage sur l'économie des systèmes intégrés électricité-hydrogène. Nous nous sommes tout d'abord intéressé à l'organisation industrielle des actifs power-to-gas (PtG), actifs convertissant l'électricité en hydrogène. Alors que l'économie et les performances de la technologie PtG ont été largement étudiées dans le cadre de marchés énergétiques parfaitement concurrentiels, l'influence des imperfections de marché sur les opérations du PtG a reçu peu d'attention. Nous contribuons à la littérature en investiguant dans quelle mesure la structure de propriété - autrement dit, le modèle économique - retenue pour les actifs de conversion PtG affecte les opérations du PtG et les résultats des marchés dans des systèmes à concurrence imparfaite. Nous avons ensuite examiné les interactions entre stockage d'électricité et stockage d'hydrogène. Plus précisément, nous nous concentrons sur l'interaction entre les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) et le stockage souterrain d'hydrogène (UHS), deux technologies dont le développement devrait permettre de répondre aux besoins de flexibilité dans les futurs systèmes énergétiques avec une forte part de production d'électricité renouvelable variable. Bien que la littérature existante souligne la nécessité de développer à la fois le BESS et l'UHS en raison de leurs caractéristiques complémentaires, elle suggère également que les investissements dans le BESS peuvent parfois se substituer à ceux dans l'UHS. Cette étude vise à quantifier le degré de complémentarité entre ces deux technologies de stockage. Enfin, nous nous sommes concentrés sur l'impact de la prise en compte des ressources en l'eau sur les décisions de planification dans les systèmes électricité-hydrogène. En effet, l'eau douce est essentielle à la production d'énergie, que ce soit pour le refroidissement des centrales nucléaires et thermiques, l'alimentation des turbines hydrauliques ou la production d'hydrogène par PtG. Bien que de nombreuses études aient intégré des contraintes de disponibilité en eau dans les modèles de planification de l'électricité, la littérature académique néglige souvent ces contraintes dans la planification de l'hydrogène. Cette étude contribue à la littérature en examinant comment l'intégration de contraintes de disponibilité en eau influence les décisions d'investissement et d'exploitation dans un système électricité-hydrogène.

The joint development of renewable electricity and hydrogen is crucial for achieving net zero emissions in the energy sector. Research integrating electricity and hydrogen is essential to understand their interactions and guide the development of decarbonization strategies. In this context, this thesis presents three studies that collectively provide insights into the economics of integrated electricity-hydrogen systems. The first contribution examines the industrial organization of the hydrogen economy, with a particular focus on ownership considerations for Power-to-Gas (PtG) technology. While the economics and performance of PtG as a sector coupling technique have been well studied in the context of perfectly competitive energy markets, the influence of market imperfections on PtG operations has received little attention. We contribute to the literature by investigating the extent to which the ownership structure - in other words, the business model - retained for PtG assets affects PtG operations and market outcomes when considering imperfectly competitive systems. The second contribution examines the interactions between electricity and hydrogen storage within an electricity-hydrogen system. Specifically, we focus on the interplay between battery energy storage systems (BESS) and underground hydrogen storage (UHS), both of which are expected to address flexibility needs in future energy systems with a high share of variable renewable electricity production. While existing literature highlights the need to develop both BESS and UHS due to their complementary characteristics, it also suggests that investments in BESS can sometimes substitute for investments in UHS. This contribution seeks to quantify the degree of complementarity between these two storage technologies. Finally, the third contribution focuses on the influence of water considerations on electricity and hydrogen planning. Indeed, freshwater is crucial for energy generation, whether for cooling nuclear and thermal power plants, powering hydraulic turbines, or supplying PtG for hydrogen production. While many studies have integrated water availability constraints into electricity planning models, the academic literature often overlooks these constraints in hydrogen planning. We aim to fill this gap by investigating how climate-induced water constraints impact investment and operating decisions in an electricity-hydrogen system.