Méthodologie d’étude de l’intégration de Small Modular Reactors dans des réseaux électriques dans le cadre de la transition énergétique

Methodology for studying the integration of Small Modular Reactors into power systems in the context of the energy transition

• Auteur / Autrice : Charly Boudot
• Direction : Yvon Bésanger, Bruno Robisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 18/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Adrien Bidaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Mazauric
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Henry Ferrasse, Marc Petit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Réseaux électriques (énergie)

Réacteurs nucléaires

Transition énergétique

Mots clés libres

Multiphysique

Couplage

Réseau électrique

Stabilité

Small Modular Reactor

Flexibilité

Multiphysics

Coupling

Power system

Stability

Small Modular Reactor

Flexibility

Résumé

La lutte contre les émissions de gaz à effet de serre d’origine anthropique conduit les gouvernances mondiales à encourager, dans le système électrique, le développement d’Energies Renouvelables Intermittentes (EnRI) en remplacement de moyens de production carbonés. D’un côté, cette transition énergétique mène à repenser les moyens de conception, de pilotage et de stabilité des réseaux électriques car les EnRI sont limitées dans leur pilotabilité à l’inverse des moyens carbonés historiques. D’un autre côté, la R&D sur des projets de réacteurs nucléaires appelés Small Modular Reactors (SMR) est très active. De surcroît, ces SMR présentent des caractéristiques qui pourraient être intéressantes du point de vue de la flexibilité.L’objectif de cette thèse est de caractériser l’interaction d’un parc de SMR avec un réseau électrique dans un contexte de besoin accru de flexibilité. Quelques travaux antérieurs ont déjà étudié les aspects technico-économiques de cette interaction, l’apport de la cogénération à la flexibilité des réacteurs et à la stabilité des réseaux, ou encore le dimensionnement de réacteurs afin d’améliorer leur flexibilité. Aucun d’entre eux n’a permis de caractériser, vis-à-vis de la stabilité des réseaux de transport, l’impact de l’implantation de SMR dont leur flexibilité repose sur leur taux de pénétration, leurs puissances, leurs localisations et leurs rampes de puissance admissibles variables.Le premier apport de cette thèse est de présenter les conditions pour lesquelles un couplage de codes de dynamique des SMR et de génie électrique est nécessaire (ou non) pour représenter correctement leur interaction. Pour cela, un chaînage entre le logiciel de dynamique des réseaux électriques (PowerFactory) et le code de calcul de dynamique des réacteurs nucléaires (CATHARE) a été mis en place en utilisant un réseau continental et un jeu de données de réacteur. Les différentes comparaisons de résultats permettent de montrer que ce chaînage est nécessaire pour le code CATHARE afin de simuler correctement des transitoires en provenance de la turbine. Cependant, dans le sens inverse, l’apport du chaînage à PowerFactory est négligeable, ce qui permet de conclure que des modèles simplifiés de SMR suffisent pour conclure sur le potentiel apport des SMR à la stabilité des réseaux avec PowerFactory.Le second apport est la quantification de l’impact qu’aurait le remplacement de réacteurs de forte puissance sur un réseau par une flotte de SMR. Une méthodologie générale est proposée afin de définir les paramètres d’entrées représentant ces caractéristiques de flexibilité, des variables de sortie pour analyser leurs impacts et des transitoires d’intérêt pour étudier cela à l’échelle de temps retenue. Cette méthodologie est appliquée à un réseau continental, représentatif d’un réseau de transport interconnecté. Les résultats démontrent que l’éloignement des moyens de production par rapport à un évènement donné améliorent le comportement transitoire du réseau aux échelles de temps de la seconde à la minute. Ils démontrent aussi que les paramètres mécaniques des turboalternateurs des SMR impliquent une amélioration de la stabilité à l’échelle de temps de la seconde. Cette méthodologie est aussi appliquée au réseau de Guadeloupe, représentatif d’un réseau de transport insulaire et non interconnecté. Les résultats démontrent que pour s’intégrer sur ce type de réseau, les SMR doivent avoir une puissance limitée et que des innovations technologiques sont nécessaires pour améliorer les rampes de puissances atteignables, augmenter les réserves de puissance pour la régulation de fréquence et permettre aux réacteurs de fonctionner à puissance intermédiaire en continu.

The fight against anthropogenic greenhouse gas emissions is leading world governments to encourage the development of Variable Renewable Energies (VREs) in power systems, replacing carbon-based sources. On the one hand, this energy transition requires rethinking the power system’s design, control and stability since the VREs are non-dispatchable, unlike historical carbon-based sources. On the other hand, R&D on nuclear reactor projects called Small Modular Reactors (SMR) is very active. Moreover, these SMRs present characteristics that could be interesting from the point of view of flexibility.The aim of this thesis is to characterize the interaction of a fleet of SMRs with an electrical grid in a context of increased need for flexibility. Some previous works have already studied the techno-economic aspects of this interaction, the contribution of cogeneration to reactor flexibility and network stability, or even a methodology for sizing reactors in order to improve their flexibility. None of them allowed to characterize the impact on transmission network stability of the integration of SMRs whose flexibility relies on their variable penetration rates, power capacities, locations, and power ramps.The first contribution of this thesis is to present the conditions for which a coupling of SMR dynamics and electrical engineering codes is necessary (or not) to accurately represent their interaction. To achieve this, a chaining between the power system dynamics software (PowerFactory) and the nuclear reactor dynamics calculation code (CATHARE) is carried out using a continental network model and a reactor dataset. The various result comparisons show that this chaining is necessary for the CATHARE code in order to correctly simulate transients from the turbine. However, in the opposite way, the contribution of the connection to PowerFactory is negligible, leading to the conclusion that simplified SMRs models are sufficient to assess the potential contribution of SMRs to power system stability using PowerFactory only.The second contribution is the quantification of the impact that replacing high-power reactors on a network with a fleet of SMRs would have. A general methodology is proposed to define input parameters representing these flexibility characteristics, output variables to analyze their impacts, and relevant transients to study within the time scale taken into account. This methodology is applied to a continental network, representative of an interconnected transmission network. The results demonstrate that distancing the means of production from a given event improves the transient behavior of the network at time scales from seconds to minutes. They also show that the mechanical parameters of SMR turbo generators improve stability at the time scale of the second. This methodology is also applied to the Guadeloupe network, representative of an insular and non-interconnected transmission network. The results show that to be integrated into this type of network, SMRs must have limited power and that technological innovations are needed to improve the achievable power ramps, increase the power reserves for frequency regulation, and enable reactors to operate continuously at intermediate power.