Modélisation du développement à long terme du stockage de l’électricité dans le système énergétique global

Modelling the long-term deployment of electricity storage in the global energy system

• Auteur / Autrice : Jacques Després
• Direction : Nouredine Hadj-Said, Patrick Criqui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 23/09/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Économie du développement durable et de l'énergie
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Vannier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Moisan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Mayer, Anna Creti-Bettoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité

Énergie solaire

Énergie éolienne

Mots clés libres

Stockage d'électricité

Réseau électrique

Energies renouvelables variables

Modélisation long terme

Electricity storage

Electric grid

Variable renewable energy

Long-term modelling

Résumé

Le développement des énergies renouvelables éolienne et solaire implique de repenser les modèles à long terme du système énergétique. En effet, les impacts à court et long terme des productions intermittentes éolienne et solaire sur le système électrique entraînent un besoin de flexibilité : centrales de production très réactives, gestion de la demande,amélioration du réseau électrique ou stockage d’électricité. Le premier apport majeur à l’état de l’art est l’ajout du stockage d’électricité et du réseau électrique européen dans le modèle POLES (Prospective Outlook on Long-term Energy Systems). Un nouveau mécanisme d’investissement a été développé, mieux adapté aux enjeux des renouvelables ; il inclut plusieurs valeurs économiques du stockage. D’autre part, une nouvelle typologie applicable à la fois aux modèles de prospective énergétique et aux outils détaillés du secteur électrique,a montré l’intérêt de rassembler ces deux approches. Ainsi, la deuxième contribution principale est le couplage annuel de POLES à un modèle d’opération du système électrique,EUCAD (European Unit Commitment And Dispatch), qui optimise l’allocation technico économique des centrales européennes de production et de stockage. Les échanges bidirectionnels d’informations permettent de bénéficier à la fois de la cohérence à long terme des scénarios économiques de POLES et du détail technique d’EUCAD. Un scénario conservateur prévoit un développement rapide des options de flexibilité les moins chères :interconnexions, stockage hydraulique et gestion de la demande – que ce soit par des effacements de consommation ou par l’optimisation de la charge et décharge des batteries de véhicules électriques. Les batteries stationnaires, plus chères, sont développées en seconde partie de siècle. Leur développement pourrait être accéléré par une réduction des coûts fixes du stockage plus efficace qu’une amélioration du rendement. Les liens explicites entre renouvelables intermittents et stockage d’électricité ressortent aussi des résultats.

The current development of wind and solar power sources calls for an improvement of longtermenergy models. Indeed, high shares of variable wind and solar productions have shortandlong-term impacts on the power system, requiring the development of flexibility options:fast-reacting power plants, demand response, grid enhancement or electricity storage. Ourfirst main contribution is the modelling of electricity storage and grid expansion in the POLESmodel (Prospective Outlook on Long-term Energy Systems). We set up new investmentmechanisms, where storage development is based on several combined economic values.After categorising the long-term energy models and the power sector modelling tools in acommon typology, we showed the need for a better integration of both approaches.Therefore, the second major contribution of our work is the yearly coupling of POLES to ashort-term optimisation of the power sector operation, with the European Unit CommitmentAnd Dispatch model (EUCAD). The two-way data exchange allows the long-term coherentscenarios of POLES to be directly backed by the short-term technical detail of EUCAD. Ourresults forecast a strong and rather quick development of the cheapest flexibility options: gridinterconnections, pumped hydro storage and demand response programs, including electricvehicle charging optimisation and vehicle-to-grid storage. The more expensive batterystorage presumably finds enough system value in the second half of the century. A sensitivityanalysis shows that improving the fixed costs of batteries impacts more the investments thanimproving their efficiency. We also show the explicit dependency between storage andvariable renewable energy sources.