Faisabilité technique et économique d'un mix décarboné - étude de la flexibilité en énergie annuelle et pluriannuelle

Technical and economic feasibility of a decarbonized mix - study of the annual and pluriannual energy flexibility

• Auteur / Autrice : Sébastien Pezza
• Direction : Sandrine Selosse, Edi Assoumou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Contrôle, optimisation, prospective
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Guérassimoff
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Selosse, Edi Assoumou, Yannick Perez, Frédéric Lantz, Caroline Bono, Magnus Korpas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Perez, Frédéric Lantz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décarbonation

Sécurité énergétique

Électricité -- Production

Réseaux électriques (énergie)

Mots clés libres

Modélisation des systèmes électriques

Systèmes électriques décarbonés

Stockage de longue durée

Prospective énergétique

Flexibilité énergétique

Production d'énergie renouvelable variable

Power system modelling

Decarbonized power systems

Long duration storage

Energy outlook

Energy flexibility

Variable energy sources

Résumé

Le développement de sources d'énergie renouvelables variables (ENRv) dans les systèmes électriques, ainsi que les contraintes de décarbonation, entraînent des changements fondamentaux dans la gestion de la sécurité de l'approvisionnement. En effet, cette production est caractérisée par une variabilité et des incertitudes à différentes échelles de temps, du quotidien au pluriannuel. En conséquence, l'incertitude augmente par rapport à un système électrique conventionnel et la variabilité ENR introduit des périodes de déficit énergétique qui doivent être compensées (par exemple des nuits hivernales sans vent - où le solaire ne produit pas et où la demande est élevée). Des sources de flexibilité en énergie, c'est-à-dire qui garantissent sa disponibilité pour assurer la sécurité de l'approvisionnement, doivent être correctement dimensionnées. Parmi celles-ci, le stockage à long terme (une boucle power-to-gas-to-power) apparait comme un actif de choix compte tenu de sa capacité à transférer l'énergie des périodes de surplus aux périodes de déficit.Cette thèse examine l'impact de la variabilité annuelle et pluriannuelle de la production d'ENRv sur le besoin de flexibilité en énergie. Bien que cette variabilité soit un phénomène identifié dans la littérature, son effet sur la succession des périodes de déficit, le dimensionnement des sources de flexibilité en énergie, la robustesse de la sécurité d'approvisionnement et ses implications économiques n'ont reçu qu'une attention limitée.Trois problématiques en découlent. Tout d'abord, il s'agit d'identifier le besoin de flexibilité en énergie. Nous montrons qu'un indicateur de déficit maximal d'énergie cumulatif s'avère adapté à la mesure du dimensionnement de la flexibilité de long terme. Dans les zones électriques considérées, nous trouvons que le déficit maximal équivaut à l'échelle annuelle à 10 à 15% de la demande annuelle. Néanmoins, à l'échelle pluriannuelle ce déficit se creuse pour atteindre des volumes équivalents à 30 à 40% de la demande annuelle, soulignant la nécessité d'étudier les systèmes à forte pénétration renouvelable sur ces périodes.Ensuite, des méthodologies de dimensionnement appropriées doivent être développées. En analysant les différentes implications de la variabilité des ENRv et les caractéristiques techniques du stockage à long terme, nous discutons des principaux aspects à prendre en compte. Nous montrons ensuite que le dimensionnement pour le stockage à long terme est substantiel, mais que des sources de flexibilité complémentaires peuvent le réduire, par exemple l'écrêtement de la production d'ENRv dans un parc surdimensionné. Nous montrons également qu'en raison de l'incertitude pluriannuelle, il est nécessaire de limiter le stockage à un cycle annualisé.Enfin, ces dimensionnements et les dynamiques en résultants entraînent des conséquences économiques sur le coût global du système, le coût moyen de la flexibilité à long terme et le coût du capital. Leur évaluation nous permet de discuter des conditions de réussite du déploiement d'un tel système électrique ainsi que de la pertinence de différentes stratégies de sécurité d'approvisionnement. Nous montrons que le coût des flexibilités en énergie représente un coût du même ordre de grandeur que la production renouvelable quel que soit le bouquet de sources envisagées. Nous exacerbons les difficultés d'investir dans un stockage longue durée assurant la sécurité d'approvisionnement du fait d'une sollicitation faible et d'un dimensionnement important, du fait d'un effet de cannibalisation des services de transfert. En conséquence, nous soulignons que la sécurisation de telles architectures de système fait ressortir la nécessité d'une réflexion sur les mécanismes de rémunération pour couvrir les investissements qu'elles impliquent.

The development of variable renewable energy (VRE) sources in power systems, along with decarbonization constraints, is resulting in fundamental changes in how security of supply is managed. Indeed, this production is characterized by its variability and uncertainties across multiple time scales, from daily to multi-year. As a result, uncertainty increases compared to a conventional power system, and VRE variability introduces periods of energy deficit that need to be compensated (for example during winter night without wind production and high demand). Therefore, energy flexibility sources, i.e., those that guarantee the availability of energy to ensure security of supply must be properly sized. To achieve this, deficit events must be anticipated, and investment decisions made accordingly. Among the sources of energy flexibility, long-term storage is viewed as an ideal asset due to its ability to transfer energy from surplus to deficit periods. This storage is modeled here as a power-to-gas-to-power system.In this work, the impact of annual and multiannual variability in renewable energy production on the need for energy flexibility is examined. Indeed, this variability results in a fluctuating VRE production from one year to the other but also over several consecutive years. Although multiannual variability is a consequence identified in the literature, its effect on the succession of deficit periods, the sizing of flexibility sources, supply security robustness, and its economic implications have received limited attention.Three main issues arise from this analysis. First, the need for energy flexibility must be assessed. We show that an indicator measuring the maximum cumulative energy deficit is suitable for determining the size of long-term flexibility. Across several evaluated European countries and on an annual scale, its maximum value is equivalent to 10-15% of the annual demand over a particularly low production and high demand of 3 consecutive months. However, on a multi-annual scale, this deficit rises to 30-40% of annual demand over consecutive years, underscoring the importance of studying systems with high renewable penetration over these timescales.Next, appropriate methodologies must be developed for sizing energy flexibility sources, especially long-term storage. By analyzing the various implications of the VRE variability and of the technical characteristics of long-term storage, we discuss the main aspects to consider when studying power systems with a high VRE penetration. Subsequently we show that the sizing requirement for long-term storage is substantial, but complementary flexibility sources can reduce it, highlighting the role of oversizing and curtailing VRE production. We also show that due to the multi-year uncertainty, it is necessary to constrain storage to an annualized cycle, which leads to about 20% of VRE oversizing.Finally, this substantial sizing impact the system's overall cost, the average cost of long-term flexibility, and the cost of capital. Their evaluation allows us to discuss the conditions for the successful deployment of a power system with very high renewable penetration, as well as the feasibility of different security of supply strategies. The cost of energy and power flexibility is shown to be twice the renewable generation costs, regardless of the mix of flexibility sources considered. Moreover, the challenges of investing in large-scale, long-term storage to guarantee the security of supply—due to its low solicitation and the cannibalization effect of transfer services—are highlighted. As a result, we emphasize that securing such system architectures highlights the need to reflect on the remuneration mechanisms to cover the investments they entail.