Les enjeux generaux du systeme electrique

LES ENJEUX GENERAUX DU SYSTEME ELECTRIQUE

Le système électrique français a permis la fourniture de près de 490 TWh en 2008 (source RTE), de supporter un maximum de puissance appelée de plus de 92 000 MW (source RTE du 7 janvier 2009), ceci pour les besoins d’environ 64 millions de consommateurs et soutenir le développement de l’économie française du siècle dernier. Ceci sans incident majeur, avec un Temps de Coupures Equivalent (TCE) inférieur à 5mn en 2008 [RTE09e] et [RTE04]. Au vu de ces quelques accomplissements, le système électrique français apparait comme performant et bien développé. Cependant, il doit faire face aujourd’hui à plusieurs enjeux, classés en trois types :
– liés aux ressources énergétiques et aux usages de consommation ;
– liés au fonctionnement opérationnel du système électrique ;
– liés à la libéralisation du secteur électrique des pays membres de l’Union Européenne.

Les enjeux liés aux ressources énergétiques et aux usages de consommation

Le système électrique est usuellement représenté sous la forme d’une chaîne énergétique représentant l’interconnexion d’infrastructures pour la génération, le stockage, le transport, la distribution et la consommation du vecteur électrique.

Cette chaîne énergétique assure la liaison entre les ressources énergétiques (pétroles, matières radioactives, charbon, gaz, vent, soleil, biomasse, marée, etc.) et les besoins sociétaux qui se traduisent sous forme d’usages énergétiques (éclairage, chauffage, électricité spécifique, Eau Chaude Sanitaire, mobilité, etc.).

Les filières de production possibles pour joindre ces deux extrémités sont multiples, interdépendantes, temporelles (par exemple durée de vie des technologies, durée de mise en œuvre et cycle de fonctionnement d’une unité de production, etc.) et spatiales (par exemple localisation et l’emprise spatiale des ressources). Cette représentation du système énergétique est la confrontation d’une offre d’énergie multisource, multifilière, hétérogène dans l’espace et variable dans le temps avec une demande d’énergie multiusage, multisectorielle et également hétérogène dans l’espace et variable dans le temps. Jusqu’à aujourd’hui, l’équilibre « offre et demande» en électricité a toujours été maintenu, excepté lors de périodes particulières (période de guerre, crises énergétiques des années 70, tempête de 99, etc.) .

Des études prospectives sont régulièrement menées en France afin d’évaluer l’évolution de cet équilibre à court et long terme, par exemple [RTE09a, RTE06, PPI09]. Celles-ci permettent d’identifier plusieurs enjeux à relever :
– Assurer la transition partielle des ressources énergétiques de stock (dont fossiles) actuellement exploitées – promises à un déclin à plus ou moins long terme – vers davantage d’exploitation de ressources énergétiques de flux renouvelables (éolien, solaire, hydraulique et courant marin) [SARLO03]. Le développement de ces ressources doit faire face à diverses difficultés. Elles ont en effet la particularité d’être très diffuses dans l’espace, d’avoir une densité énergétique faible par rapport aux énergies de stock et d’être difficilement transportables sous leur forme primaire. Par ailleurs ces ressources, étant des flux, ont la particularité d’être intermittentes dans le temps. On notera également que ces filières de production sont plus dépendantes des caractéristiques des territoires d’implantation (par exemple : topographique, météorologique, sociologique, urbanistique, économique). En ce sens, elles lient avec les territoires des relations d’interdépendance qui peuvent favoriser ou freiner leur développement : barrières physiques de l’espace (par exemple la topographie, la géologie, l’urbanisme), concurrence de l’espace (par exemple les activités industrielle, résidentielle, agricole, la production d’énergie et les espaces naturels), concurrence des usages de certaines ressources tel que le bois ou certaines cultures agricoles, etc.) ;
– Limiter les impacts environnementaux immédiats et futurs, inhérents ou accidentels que le système électrique engendre. Quelques soient la filière de production et la ressource exploitée (renouvelable ou pas), toute production d’électricité porte atteinte à l’environnement naturel et aménagé. La nature et l’intensité des impacts dépendent du type et de la quantité de ressources utilisées, de la technique de conversion et de transmission, du niveau d’intégration par la filière des cycles naturels [SARLO03] et des spécificités des territoires. L’enjeu est double, puisqu’il s’agit, d’une part, de limiter les impacts eux-mêmes pour éviter leurs conséquences directes néfastes prévisibles et, d’autre part, d’assumer l’internalisation progressive de ces impacts dans le coût de production de l’énergie et dans l’économie en général. [SARLO03] ;
– Maîtriser la consommation. Depuis l’apparition de l’électricité, ses usages et sa consommation n’ont cessé d’augmenter en quantité d’énergie consommée et en puissance appelée.

Certaines études prospectives de la demande en électricité à moyen et long terme émettent des doutes sur les possibilités d’une poursuite tendancielle de la croissance de la demande et envisagent des scénarios de « rupture », notamment [AIE08], [GREEN07]. La vigilance étant de rigueur, la France s’est engagée à maîtriser sa consommation à travers des programmes ambitieux de réduction de la consommation énergétique (Loi POPE de 2005, les décisions issues du Grenelle de l’environnement de 2007 à 2009)). Cet enjeu est renforcé par les politiques pour contrecarrer les conséquences du réchauffement climatique. Dans ce domaine la France s’est également engagé sur plusieurs plans d’actions (Plan Climat en 2004 et en 2009, Objectifs du Facteur 4 des émissions de CO2), relayés par plusieurs programmes nationaux de recherches et d’investissement (Programme national de Recherche et d’expérimentation sur l’Energie dans les Bâtiments, Programme national bois-énergie, Programme National de Lutte Contre le Changement Climatique, par exemple).

Les enjeux liés à la gestion opérationnelle du système électrique

On entend par gestion opérationnelle, les manœuvres menées par les acteurs de la chaîne de production pour approvisionner au jour le jour les consommateurs d’électricité. Pour comprendre ces enjeux, il faut s’intéresser à certaines caractéristiques du vecteur électrique, à savoir :
– l’énergie sous sa forme électrique se stocke difficilement en grande quantité. Excepté le recours au Station de Transfert d’Energie par Pompage (STEP), peu de techniques permettent aujourd’hui un stockage massif d’électricité. Il est donc préférable de produire de l’énergie électrique lorsque celle-ci est consommée ou inversement de consommer l’électricité au moment où elle est produite, d’où la nécessité d’équilibrer l’offre et la demande instantanément ;
– l’énergie électrique nécessite un réseau spécifique pour être transportée ;
– la production et le transport d’électricité sont plus efficaces à grande échelle (favorable aux grosses unités de production et au transport à haute tension). La gestion opérationnelle du système électrique consiste en premier lieu à équilibrer la production et la consommation en temps réel entre différents sites de production et de consommation. Cette conduite du système doit garantir à tout moment une fourniture d’électricité de qualité (fréquence (50Hz ± 0,5Hz), tension et harmonique) maintenir le système à un niveau de sûreté satisfaisant et optimiser la performance économique [RTE08]. Ce sont les trois aptitudes que le système doit respecter en fonctionnement.

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Table des matières

Chapitre I. Introduction
I.1ETAT DES LIEUX ET DEFINITION DE LA PROBLEMATIQUE
I.2L’OBJECTIF DE LA THESE
I.3LA METHODE
I.4LA STRUCTURE DU MANUSCRIT DE THESE
Chapitre II. L’évolution du système électrique
II.1 INTRODUCTION
II.2 LES ENJEUX GENERAUX DU SYSTEME ELECTRIQUE
II.2.1 Les enjeux liés aux ressources énergétiques et aux usages de consommation
II.2.2 Les enjeux liés à la gestion opérationnelle du système électrique
II.2.3 Les enjeux liés à la libéralisation du secteur électrique
II.3 LES TENDANCES DE DEVELOPPEMENT DU SYSTEME ELECTRIQUE
II.3.1 Le développement de la Production Décentralisée d’Electricité
II.3.2 Le développement de la Maîtrise de la Demande en Electricité
II.3.3 La gestion intelligente de la ressource décentralisée d’électricité
II.4 LA DECENTRALISATION DU SYSTEME ELECTRIQUE, VERS UNE
TERRITORIALISATION
II.4.1 La décentralisation de la planification du système électrique
II.4.2 Une approche territoriale pour l’appréhension du système électrique
II.5 CONCLUSION
Chapitre III. Les besoins liés à la planification énergétique
III.1 INTRODUCTION
III.2LA PLANIFICATION ENERGETIQUE AUJOURD’HUI
III.2.1 La définition de la planification énergétique
III.2.2 La modélisation du processus de planification
III.2.3 Les éléments caractérisant une planification énergétique
III.2.3.1 Les acteurs de la planification
III.2.3.2 Les objectifs de la planification
III.2.3.3 Les actions dans le cadre d’une planification énergétique
III.2.3.4 Les échelles spatiotemporelles de la planification énergétique
III.2.4 Les activités de planification énergétique en France
III.3 UNE REVUE GENERALE DES OUTILS D’AIDE A LA PLANIFICATION
ENERGETIQUE
III.3.1 Le processus de planification et outils associés
III.3.2 La classification des outils de simulation prospective pour une analyse chiffrée
III.4LES OUTILS D’EVALUATION D’IMPACTS D’ACTIONS DE MDE
III.4.1 Le besoin actuel d’évaluation des impacts d’actions de MDE
III.4.2 Les principales méthodes d’évaluation des impacts énergétiques d’actions de MDE
III.4.3 Les besoins spécifiques à l’évaluation prospective d’impacts d’actions de MDE
III.4.4 Les limites des outils de simulation prospective
III.5 CONCLUSION
Chapitre IV. Amélioration de la résolution spatiale des paramètres d’entrée d’une méthode de référence
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 UNE METHODE DE MODELISATION DE REFERENCE
IV.2.1 Un modèle de la demande en électricité
IV.2.2 Une méthode d’évaluation d’impacts d’actions de MDE
IV.2.3 La méthode de modélisation de la demande en électricité – la méthode SIMPACT
IV.2.4 Les données d’entrée et de sortie
IV.2.5 La validation de la méthode de modélisation de référence
IV.2.5.1 La validation des évaluations en énergie
IV.2.5.2 La validation des évaluations en puissance
IV.2.5.3 Les limites relatives de la méthode
IV.3 UNE METHODE DE SELECTION DES PARAMETRES D’ENTREE
IV.3.1 La méthodologie générale de sélection des paramètres d’entrée
IV.3.2 L’analyse de sensibilité
IV.3.2.1 La méthodologie générale mise en œuvre
IV.3.2.2 L’analyse du module « Parc bâti »
IV.3.2.3 L’analyse du module « Consommation Unitaire »
IV.3.2.4 L’analyse du module « Profils d’usage »
IV.3.3 L’analyse de la variance statistique et bilan des paramètres d’entrée à spatialiser
IV.4 LA SPATIALISATION DES PARAMETRES D’ENTREE A L’ECHELLE LOCALE
IV.4.1 Principe général d’amélioration de la résolution spatiale d’un paramètre d’entrée
IV.4.2 Les méthodes de spatialisation par paramètre
IV.4.2.1 Le taux de croissance des surfaces de bureaux
IV.4.2.2 Le taux d’électrification dans les nouvelles constructions résidentielles
IV.4.2.3 La consommation unitaire de l’usage chauffage dans le secteur résidentiel
IV.4.2.4 La consommation unitaire de l’usage climatisation dans le secteur tertiaire
IV.4.2.5 Le profil de l’usage chauffage dans le secteur résidentiel
IV.4.2.6 Le profil de l’usage climatisation dans les activités tertiaires
IV.5 CONCLUSION
Chapitre V. Un cas pratique : l’évaluation des impacts d’une action de MDE
V.1 INTRODUCTION
V.2 UN SYSTEME DE REFERENCE ISSU D’UN CAS D’ETUDE CONCRET
V.2.1 Un territoire d’étude : la région PACA
V.2.1.1 Les caractéristiques territoriales
V.2.1.2 Les caractéristiques énergétiques
V.2.2 Un cas pratique : un système de pilotage de la charge
V.3 LA MODELISATION DU SYSTEME DE REFERENCE
V.3.1 Les phénomènes à modéliser
V.3.2 La modélisation de ces phénomènes
V.3.2.1 Un modèle générateur de courbe de charge
V.3.2.2 Un modèle générateur de consigne d’effacement
V.3.2.3 Les modèles d’exécution de la consigne d’effacement
V.4 CONCLUSION
Chapitre VI. Un cas pratique : l’évaluation de l’influence de la spatialisation des paramètres d’entrée
VI.1 INTRODUCTION
VI.2 UNE METHODE DE DETERMINATION DES COMMUNES ANALYSEES
VI.2.1 La classification des communes de la région PACA
VI.2.1.1 La méthode de classification
VI.2.1.2 L’analyse et les résultats de classification
VI.2.2 La détermination des communes représentatives
VI.3 LA SIMULATION DE L’ARCHITECTURE DE PILOTAGE DE LA CHARGE
VI.3.1 Le paramétrage des analyses réalisées
VI.3.1.1 L’élaboration de la consigne d’effacement
VI.3.1.2 L’installation des procédés
VI.3.1.3 Le procédé de délestage des usages de consommation d’électricité
VI.3.1.4 Le procédé de production et de stockage d’électricité
VI.3.1.5 La synthèse des scénarios simulés
VI.3.2 Les résultats de simulation sur les communes analysées
VI.3.2.1 L’influence de la spatialisation sur les sorties du modèle
VI.3.2.2 L’influence de la spatialisation sur les indicateurs d’impacts
VI.4 CONCLUSION
Chapitre VII. Conclusions générales