Scénarios d'Intégration de l'Énergie Solaire à Grande Échelle avec l'Éolien au Maroc : Impact de Stockage, Coût, Complémentarité Spatio-Temporelle et Changement Climatique

Scenarios of Large-Scale Solar Integration with Wind in Morocco : Impact of Storage, Cost, Spatio-Temporal Complementarity and Climate Change

• Auteur / Autrice : Ayat-Allah Bouramdane
• Direction : Philippe Drobinski, Alexis Tantet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 20/10/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Riwal Plougonven
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Drobinski, Alexis Tantet, Philippe Quirion, Olivier Boucher, Anna Creti-Bettoni, Hiba Omrani, Mohamed Rhaihat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Quirion, Olivier Boucher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Maroc

Énergie éolienne

Technique de l'environnement

Mots clés libres

Énergies Renouvelables

Stockage

Coût

Complémentarité Spatio-Temporelle

Changement Climatique

Scénarios de Mix

Renewable Energies

Storage

Cost

Spatio-Temporal Complementarity

Climate Change

Scenario Mixes

Résumé

Il semble qu'à l'heure actuelle, de nombreux pays ont tendance à privilégier le solaire thermodynamique (CSP) combiné avec son système de stockage thermique (TES)---peu onéreux---par rapport au Photovoltaïque (PV) car il peut améliorer la résilience de leur système énergétique. Cependant, leur interaction dans un mix optimal n’a pas fait l'objet de recherches détaillées et particulièrement pour confirmer cette perception dans un climat futur. Par exemple, si le critère de comparaison n'est que l'argent, PV occupe-t-il une position de leader? Mais il n'est pas juste de justifier ces deux technologies simplement par le coût mais aussi par la corrélation de la production avec la pointe de consommation. Cela suscite une autre question: PV ou son homologue CSP? étant donné qu'elles ont une sensibilité distincte à la température et aux nuages. De plus, si le système de stockage par batterie (BES)---à coût prohibitif---est couplée à une installation PV à grande échelle, cela signifie que CSP-TES sera remplacé par le PV-BES? Cette thèse discute un ensemble de scénarios d'intégration solaire à grande échelle avec l'éolien dans un mix prospectif marocain sous différents niveaux de pénétration, configurations de stockage et combinaisons de technologies renouvelables (REs). Notre objectif est non seulement de maximiser la production RE, mais aussi de réduire sa variabilité. Cette approche de Moyenne-Variance est implémentée dans le modèle E4CLIM, que nous avons adapté aux quatre zones électriques marocaines pour fitter le modèle de demande et corriger les biais dans les facteurs de charge (CF) calculés à partir des données climatiques; ignorant les contraintes du réseau et les échanges d'électricité avec les pays voisins. Nous avons ajouté une contrainte de coût total maximal; et proposons une méthode de calcul de coût de chaque technologie en tenant en compte leur dépendance aux heures de production, qui est conçue dans le modèle de stockage développé et implémenté au BES et aux modules CSP-TES ajoutés. Nous présentons, pour chaque régime de pénétration, quelques ratios qui contribuent à déterminer dans quelle région une capacité donnée sera affectée; et proposons des diagnostiques pour évaluer quelle technologie remplace le mieux la production conventionnelle à coût marginal élevé. La première étude répond aux questions liées à l'intégration de l'éolien/PV/CSP/CSP-TES tandis que la deuxième étude détermine les conditions dans lesquelles les avantages que peut apporter le CSP-TES dépassent ceux du PV-BES afin de faire partie du mix jusqu'à ce qu'une condition plus avantageuse empêche son intégration; en examinant comment l'intégration du CSP et du stockage influencerait les bénéfices des complémentarités spatio-temporelles dans le climat actuel. Nous concluons que contrairement à l'intégration de CSP/CSP-TES avec PV, l'ajout de BES au PV révèle une sensibilité plus élevée des mix aux technologies solaires non seulement à faibles pénétrations en raison de la variabilité réduite mais aussi à des pénétrations élevées en raison des différences dans la capacité de stockage et le coût. Enfin, la troisième étude évalue l'impact du changement climatique sur les ressources et leurs implications sur les CFs et la demande d'ici la fin du 21ème siècle par rapport au forçage historique observé. Nous constatons qu'il y a un impact dans les mix ayant une forte pénétration mais qui est insignifiant devant l'effet éventuel de réduction des coûts. Cependant, il est peu probable que le changement climatique ait un effet perceptible sur les mix optimaux avec une faible pénétration, mais le message clé est que le futur impact sur chaque technologie est incertain. Nous discutons les sources d'incertitude et les principales options pour avoir des mix REs résilients au climat.

It appears that at the moment, many countries tend to favor Concentrated Solar Power (CSP) combined with its low-cost Thermal Energy Storage (TES) system over Photovoltaic (PV) as it can enhance the resilience of their energy system. However, their interplay in optimal mixes has not yet been addressed deeply enough by any study and particularly to confirm this perception in future warming climate. For instance, if the judging criteria is only money, does PV stand at a leading position? but, it is not fairly to justify those two technologies merely by cost but also by the correlation of production with peak consumption. Here comes another question: PV or its counterpart CSP? as they have distinct sensitivity to temperature and clouds. Moreover, if PV is coupled with expensive Battery Energy Storage (BES), does this mean CSP-TES will be replaced by PV-BES? This thesis discusses a set of scenarios of large-scale solar integration with wind in optimal Moroccan prospective mix under different penetration levels, storage configurations and combinations of renewable (RE) technologies. We take as objective not only to maximize the RE production, but also to reduce its variability. This Mean-Variance approach is implemented in the E4CLIM model, which we have adapted to the four Moroccan electricity zones to fit the demand model and correct biases in the Capacity Factors (CFs) calculated using climate data; ignoring the grid constraints and exchanges of electricity with neighboring countries. We add a maximum-total cost constraint to the optimization problem; and propose a method to define the rental cost of each production technology taking their dependence on the hours of production into account, which is designed in the developed storage model implemented to BES and to the added CSP-TES modules. We present, for each penetration regime, some ratios that contribute to determine what region a given capacity will be assigned to; and propose some production-demand adequacy diagnostics to evaluate which technology displaces more expensive fossil fuel generators during peak, mid and base load hours; and which one increase or reduce the curtailment. The first study addresses the questions associated with wind/PV/CSP/CSP-TES integration while the second study determines the conditions under which CSP-TES can provide an advantage against PV-BES so as to be part of the mix until a more advantageous condition prevents its integration; by examining how the integration of CSP and storage would influence the benefits from time-space complementarity in the actual climate. We conclude that contrary to the integration of CSP/CSP-TES with PV, the addition of BES to PV reveals a higher sensitivity of the mixes to solar technologies not only at low penetrations due to the reduced variability but also at high penetrations due to the differences in the storage capacity and cost. Finally, the third study assesses the impact of climate change on the resources and their implications on CFs and demand by the end-21st century relative to the historical observed forcing. We find that there are some indications of a potential impact in mixes with high penetrations but which are trivial with the eventual cost reduction effect on capacity pathways projected by climate models.However, climate change is unlikely to have a discernible effect on optimal mixes with low proportions of REs, but the key message is that the future impact on each technology is considered to be highly uncertain. We discuss the sources of uncertainty and the main options for climate-resilient RE mixes.