The optimal management of flexible nuclear plants in competitive electricity systems : the case of competition with reservoir

par Maria Lykidi

Thèse de doctorat en Sciences économiques

Sous la direction de Pascal Gourdel.

Soutenue le 28-03-2014

à Paris 1 , dans le cadre de École doctorale d'Économie (Paris) , en partenariat avec Centre d'économie de la Sorbonne (Paris) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Claude Ménard.

Le jury était composé de Pascal Gourdel, Carine Staropoli.

Les rapporteurs étaient Tristan Tomala, Rolf W. Künneke.

  • Titre traduit

    La gestion optimale des centrales nucléaires flexibles dans des systèmes électriques concurrentiels : le cas de la concurrence avec réservoir


  • Résumé

    L’énergie nucléaire, qui est une technologie de génération largement utilisée dans des systèmes électriques, est caractérisée par des coûts fixes élevés et des coûts variables bas. Pour amortir ses coûts fixes, le nucléaire est préférentiellement utilisé pour une opération en base inflexible, c’est-à-dire opérer à un niveau constant pour répondre à la partie non variable de la demande d’un système électrique et produire au maximum de sa propre capacité. En raison de cette spécificité, l’insertion de la production nucléaire dans les marchés concurrentiels d’électricité n’a pas été profondément étudiée jusqu’à présent. Par conséquent, même dans des marchés concurrentiels, la question de la gestion optimale d’un parc de production nucléaire n’a pas été soulevée parce que la production nucléaire est censée fonctionner en continu (pour couvrir la demande de base). Cependant, il y a des cas ou` la gestion de la production nucléaire semble plus complexe que ne le suggère cette vision simplifiée. En règle générale, lorsque la proportion de l’énergie nucléaire dans un parc de production est élevée, la production nucléaire doit s’adapter aux variations de la demande. Cela soulève la question de la façon optimale de gérer cette technologie de production dans ce contexte. Comme cette question n’a pas été étudiée jusqu’à présent, il est nécessaire de proposer un cadre théorique qui permet une analyse des situations comme celle de la France, avec un marché concurrentiel et où le nucléaire représente 80% de la production, c’est-à-dire beaucoup plus que ce qui serait nécessaire pour couvrir la demande de base. Nous nous plaçons dans un horizon à moyen terme de la gestion (1 à 3 ans) pour tenir compte de la variation saisonnière de la demande. A moyen terme, le gestionnaire d’un parc nucléaire très large (comme le parc français) doit ajuster sa production selon les variations saisonnières de la demande. Dans ce cadre, le stock de combustible nucléaire peut être analysé comme un réservoir puisque les centrales nucléaires s’arrêtent périodiquement (tous les 12 ou 18 mois) pour recharger leur combustible. La gestion de ce réservoir permet de profils différents d’usages de combustible nucléaire au cours des différentes saisons de l’année. Ainsi, nous nous pencherons sur cette question comme une analyse économique rationnelle de l’opération d’un “réservoir” de combustible nucléaire. Nous allons ensuite l’analyser dans un cadre général déterministe dynamique avec deux types de production : nucléaire et thermique non-nucléaire. Nous étudions la gestion optimale de la production dans un marché parfaitement concurrentiel. Ensuite, nous établissons un modèle numérique (basé sur les données du marché français) où les centrales nucléaires ne sont pas opérées à production constante, mais dans un cadre de placement flexible (comme le parc nucléaire français). […]


  • Résumé

    Nuclear power as a generation technology that is widely used in electricity production systems is characterized by high fixed costs and low variable costs. To amortize its fixed costs, nuclear is preferentially used for inflexible baseload operation, i.e. operate at a constant level to meet the non variable part of electricity demand of a system and produce at its maximum capacity. Because of this specificity, the insertion of nuclear production in competitive electricity markets has not been deeply studied so far. Therefore, even in competitive markets, the question of the optimal management of a nuclear generation set has not been raised because nuclear production is supposed to operate continuously (to cover baseline demand). However, there are cases where the management of nuclear generation seems more complex than suggested by this simplified view. Typically, when the proportion of nuclear energy in a production set is high, the nuclear generation output has to adjust to the variations in demand. This raises the question of the optimal way to manage this production technology in that kind of setting. As this question has not been studied so far, there is a need for a theoretical framework that enables an analysis of situations like the French one, with a competitive market and where nuclear represents 80% of generation, i.e. much more that what would be necessary to cover the baseload demand. We place ourselves in a medium-term horizon of the management (1 to 3 years) to take into account the seasonal variation of the demand level. In the medium-term, the manager of a large nuclear set (like the French set) has to set its seasonal variation of output according to the demand level. Since nuclear units have to stop periodically (from 12 to 18 months) to reload their fuel, we can analyze the nuclear fuel as a stock behaving like a reservoir. The operation of the reservoir allows different profiles of nuclear fuel use during the different demand seasons of the year. Thus, we will look at this question as a rational economic analysis of the operation of a nuclear fuel “reservoir”. We then analyze it within a general deterministic dynamic framework with two types of generation: nuclear and thermal non-nuclear. We study the optimal management of the production in a perfectly competitive market. Then, we establish a numerical model (based on data from the French market) with nuclear plants being not operated strictly as base load power plants but within a flexible dispatch frame (like the French nuclear set). [...]

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