Etude du couplage entre électricité et chaleur dans un objectif de décarbonation du système énergétique français

Study of the coupling between electricity and heat with the aim of decarbonising the French energy system

• Auteur / Autrice : Lukas Max Hofmann
• Direction : Philippe Azais, Arthur Clerjon, Fabien Perdu, Roland Bavière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 16/09/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de technico-économie des systèmes énergétiques (Gif-sur-Yvette)
• Jury : Président / Présidente : Benoit Delinchant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sihem Guernouti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Kariniotakis, Sylvain Quoilin
• DOI : 10.70675/6ce74e69z3242z44d8zbd2az0c0bae1d79e5

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décarbonation

Cogénération de chaleur et d'électricité

Transition énergétique

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Décarbonation

Système énergétique français

Réseau de chaleur

Flexibilité

Stockage long terme

Couplage électricité chaleur

Optimisation des systèmes énergétiques

Programmation linéaire en nombre entier

Decarbonation

French energy system

District heating

Flexibility

Long-term energy storage

Electricity and heat coupling

Energy system optimisation

Mixed-integer linear programming

Résumé

Pour répondre à ses besoins en chaleur, la France, comme la plupart des pays européens, consomme majoritairement des énergies fossiles. La chaleur consommée dans les secteurs résidentiel et tertiaire possède un potentiel important de décarbonation grâce à l’électrification du chauffage. Étant donné la forte saisonnalité associée au besoin de chaleur, cette électrification induira un besoin de flexibilité à l’échelle saisonnière pour le système électrique. Dans le contexte actuel de développement des énergies intermittentes en complément et à la place des centrales pilotables thermiques, ce besoin de flexibilité sera d’autant plus marqué. La chaleur ne peut pas être déplacée sur de longues distances mais représente une solution peu coûteuse et low-tech pour stocker de l’énergie. Fort de ce constat, ce travail a pour objectif d’évaluer les avantages que le couplage entre l’électricité et la chaleur pourrait apporter au système énergétique français. La modélisation des systèmes énergétiques est l’approche privilégiée pour traiter cette question de recherche. Étant donné que le couplage entre l’électricité et la chaleur est rarement étudié à l’échelle nationale, les approches méthodologiques de modélisation sont insuffisantes, particulièrement celles concernant la partie thermique. De ce fait, deux nouvelles méthodologies ont été mises en place dans le but d’assurer une représentation réaliste de la partie thermique du modèle. La première introduit un jeu d’équations (les contraintes de non-dilution) qui empêche l’optimisation de mutualiser librement tous les mix thermiques et technologies individuelles de chauffage pour répondre à la demande de chaleur totale. La deuxième méthodologie permet de cartographier et de regrouper en cluster les coûts des infrastructures de réseau de chaleur sur l’ensemble du territoire. Ces deux approches sont reproductibles et compatibles avec différentes architectures de modèle. Enfin, à partir des deux travaux méthodologiques préalablement réalisés, il a été possible de mettre en place un modèle d’optimisation (du dimensionnement et de l’opération) du système électrique et thermique français. L’analyse approfondie des sorties du modèle permet de conclure quant à l’intérêt du couplage pour décarboner la chaleur et apporter une flexibilité long terme au système énergétique français, sans augmenter le coût total.

Like most European countries, France consumes mostly fossil fuels for heating. Heat demands from residential and tertiary sectors have a strong decarbonising potential through electrification. Due to the seasonal nature of heating patterns, its electrification will generate an increasing need for seasonal flexibility of the power system. In the context of a decrease in CO2-emitting dispatchable power plants in favour of intermittent sources, even more flexibility will be required. Heat cannot be displaced over long distances, but it is a low-cost and low-tech energy storage solution. Therefore, the present study aims to evaluate the benefits that the coupling between electricity and heat could bring to the French energy system. Energy system modelling is the preferred method to explore this research question. Since the coupling between electricity and heat is seldom considered in territory-scale studies, modelling methodological approaches are lacking, especially for the thermal sector. Therefore, to ensure the accurate representation of the heat sector, two new methodologies were specifically developed. The first introduces a set of equations (the non-dilution constraints) that prevent the optimiser from freely selecting any heating mix and individual heating technology to satisfy the total heat demand. The second methodology enables mapping and clustering district heating network costs across an entire territory. Both approaches are replicable and implementable in a large diversity of models. Ultimately, and based on the methodological works previously done, a size and dispatch cost-optimisation electricity and heat model was set up for France. In-depth analysis of the model's outputs leads to the conclusion that coupling is beneficial for decarbonising heat and providing long-term flexibility to the French energy system, without increasing the total cost.