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 Hofmann
• Direction : Philippe Azaïs
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Décarbonation

Système énergétique français

Réseau de chaleur

District heating

French energy system

Decarbonation

Résumé

La France ambitionne de développer largement les énergies renouvelables intermittentes. En parallèle, les capacités de production pilotables décarbonés sur le territoire et dans les pays voisins sont en déclin. Ces changements mènent à une augmentation du besoin dit « de flexibilité » du système électrique, tout en retirant les leviers qui permettaient historiquement de la fournir. Un des enjeux clefs de la transition énergétique est donc de comprendre et quantifier quels sont les domaines de fonctionnement de ces nouveaux moyens flexibles qui permettront d'assurer à chaque instant l'équilibre entre l'offre et la demande d'électricité. Cet équilibre peut être permis par différents moyens, comme la gestion de la production et de la demande d'électricité, l'effacement des industries, les interconnections avec les pays limitrophes ou encore le stockage de l'énergie sous différentes formes (chimique, mécanique, électrochimique, thermique). Des travaux de thèse menés au CEA ont souligné le caractère critique de la gestion saisonnière de la consommation d'électricité, au premier ordre lié au besoin de chauffage. En France, la quantité d'énergie à déplacer entre l'été et l'hiver est telle qu'aucun moyen de stockage électrique ne saurait rendre ce service pour un faible coût et empreinte environnementale. Or, cet écart est amené à augmenter : la fourniture de chaleur provenant aujourd'hui pour plus de la moitié des combustibles fossiles, ce besoin de chauffage ou de froid sera reporté vers des sources décarbonées, en majorité l'électricité. Cependant, la littérature scientifique pointe le fort potentiel du couplage entre le système électrique et les réseaux de chaleur pour la gestion saisonnière du besoin en électricité. Cette thèse aura pour but d'étudier la complémentarité des vecteurs électricité et chaleur à l'échelle du territoire français. Ce travail nécessitera une vision d'ensemble, systémique, du système énergétique. Il faudra fournir des éléments de compréhension concernant l'effet d'un choix technologique sur l'ensemble du système, dans un esprit d'aide à la prise de décision. Les analyses ne seront pas seulement menées du point de vue des coûts économiques. Les critères d'optimisation seront aussi environnementaux, comme les émissions de gaz à effet de serre, l'empreinte au sol, la disponibilité du sous-sol et des sites géologiques. En particulier, la thèse traitera les sujets suivants : - Potentiel du couplage entre électricité et chaleur pour la gestion saisonnière du besoin de flexibilité. - La chaleur peut provenir de plusieurs sources, à différentes températures : combustibles, conversion de l'électricité par des pompes à chaleur ou d'autres convertisseurs, récupération de la chaleur résiduelle, etc. Comment évoluent les compromis entre ces solutions en fonction des critères de choix ? - Equilibre entre l'utilisation des moyens de chauffage individuels et collectifs. sous différentes hypothèses de disponibilité de chaleur fatale et de densité de l'habitat. - Potentiel de l'utilisation de réacteurs nucléaires calogènes.

France aims to develop intermittent renewable energies on a large scale. At the same time, decarbonised controllable production capacities on the territory and in neighbouring countries are declining. These changes are leading to an increase in the need for so-called 'flexibility' in the electricity system, while removing the levers that have historically allowed it to be provided. One of the key issues of the energy transition is therefore to understand and quantify the areas of operation of these new flexible means that will ensure the balance between electricity supply and demand at all times. This balance can be achieved by various means, such as the management of electricity production and demand, industrial load shedding, interconnections with neighbouring countries and energy storage in various forms (chemical, mechanical, electrochemical, thermal). Thesis work carried out in the CEA has highlighted the critical nature of seasonal management of electricity consumption, primarily linked to the need for heating. In France, the amount of energy to be moved between summer and winter is such that no electrical storage means can provide this service at low cost and with a low environmental footprint. However, this gap is set to increase: more than half of the heat supply today comes from fossil fuels, and this need for heating or cooling will be shifted to decarbonised sources, mainly electricity.- However, the scientific literature points out the strong potential of coupling the electrical system and district heating for the seasonal management of electricity needs. The aim of this thesis will be to study the complementarity of electricity and heat vectors on the scale of the French territory. This work will require an overall, systemic vision of the energy system. It will be necessary to provide elements of understanding concerning the effect of a technological choice on the system as a whole, in a spirit of decision making. The analyses will not only be carried out from the point of view of economic costs. The optimisation criteria will also be environmental, such as greenhouse gas emissions, footprint, availability of subsoil and geological sites. In particular, the thesis will address the following topics - Potential of electricity-heat coupling for seasonal management of the need for flexibility. - Heat can come from several sources, at different temperatures: fuels, conversion of electricity by heat pumps or other converters, waste heat recovery, etc. How do the trade-offs between these solutions evolve according to the criteria of choice? - Balance between the use of individual and collective heating means. under different assumptions of waste heat availability and housing density. - Potential of the use of heat-generating nuclear reactors.