Limites de ces m´ ethodes

La fiabilit´e des syst`emes ´electriques est une notion importante et assez bien maˆıtris´ee, que l’on sait d´efinir `a diff´erentes ´echelles temporelles. Cependant, alors qu’en temps r´eel et `a court terme l’´evaluation de la fiabilit´e s’appuie sur l’´etude des caract´eristiques ´electriques et dynamiques des syst`emes, son ´evaluation pour les probl`emes de pr´evision ou de planification `a moyen et long terme repose sur une approche probabiliste et d´econnect´ee de la dynamique des syst`emes. Bien que l’approche probabiliste nous paraisse adapt´ee aux exercices de pr´evision sur quelques ann´ees, elle nous paraˆıt inappropri´ee aux exercices de long terme. En effet, comme nous le montrons maintenant, les enjeux `a ces deux ´echelles de temps ne sont pas les mˆemes.

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A moyen terme, l’horizon d’´etude est suffisamment court pour que l’approche probabiliste puisse ˆetre men´ee avec un grand nombre de sc´enarios. De plus, ces ´etudes ont pour principal objectif d’ajuster le niveau des capacit´es de production. En effet, sur cinq ans, le gestionnaire

du syst`eme a une bonne vision de l’´evolution du parc de production et des grandes tendances de la consommation, si bien qu’il n’y a pas de v´eritables incertitudes sur l’´evolution du mix de production d’´electricit´e. De plus, les syst`emes ´electriques ont jusqu’`a aujourd’hui h´erit´e des programmes d’investissements en situation de monopole, pour lesquels le niveau de fiabilit´e ´etait ´elev´e. Les gestionnaires de r´eseaux commencent seulement `a s’inqui´eter de l’arbitrage entre efficacit´e ´economique `a court terme et investissements `a long terme pour la fiabilit´e. De la mˆeme fa¸con, l’int´egration de la production intermittente et d´ecentralis´ee sur les r´eseaux est encore faible `a l’´echelle des r´eseaux interconnect´es et la fiabilit´e du syst`eme sur les cinq prochaines ann´ees n’est pas encore perturb´ee par ces changements. Enfin, si les niveaux de fiabilit´e anticip´es dans les ´etudes `a moyen terme sont sous-estim´es, le GRT pourra le d´etecter grˆace aux ´etudes de fiabilit´e `a plus court terme (scheduling) et sera alors en mesure de r´eagir et de relever le niveau de fiabilit´e en faisant appel aux ´echanges transfontaliers, aux centrales en arrˆet garanti pluriannuel ou en investissant dans des capacit´es pouvant ˆetre mises en service rapidement.

En revanche, deux ´el´ements importants diff´erencient les exercices `a long terme des pr´ec´e- dents et indiquent pourquoi l’approche probabiliste leur semble inadapt´ee dans ce cas :

– D’une part, la vocation de la planification long terme est de proposer un mix ´electrique adapt´e `a un faisceau de contraintes, parfois en rupture avec le mix de production exis- tant, et non pas d’ajuster ce dernier pour les quelques ann´ees `a venir. Pour les ´etudes de planification long terme, et en particulier celles r´ealis´ees pour les sc´enarios ´energ´etiques, il est important que les syst`emes ´electriques soient r´ealistes, pour que les trajectoires propos´ees correspondent `a un avenir plausible.

– D’autre part, les enjeux d´efiant les syst`emes ´electriques sont des probl´ematiques de tr`es long terme et ne peuvent ˆetre pleinement d´ecrits dans les exercices de planification de moyen terme. Or, on s’attend `a ce que ces probl´ematiques – notamment la d´ecarbona- tion de la production, la d´er´egulation, les changements d’organisation des r´eseaux [48] ou l’int´egration massive d’´energies intermittentes et d´ecentralis´ees – modifient le niveau de fiabilit´e des syst`emes ´electriques. Les contraintes pour l’approvisionnement ´energ´e- tique se resserrent, et le mix ´electrique est une variable d’ajustement significative des mod`eles de prospective long terme, comme l’illustre la figure 1.12.

L’exemple de la figure 1.12 nous montre qu’il est d´eterminant de savoir si les mix ´elec- triques propos´es sont r´ealistes. Pour ´etudier cela, nous cherchons dans ce travail `a ´etablir une condition n´ecessaire garantissant la fiabilit´e des syst`emes ´electriques du futur, et en particulier celle des mod`eles de prospective ´energ´etique. Cette condition doit ˆetre `a la fois :

– repr´esentative des caract´eristiques dynamiques des moyens de production pour faire face `a un incident, et

– compatible avec les exigences de la mod´elisation long terme : type de donn´ees et temps de calculs notamment.

Pour arriver `a ce compromis, la dynamique des syst`emes ´electriques doit pouvoir ˆetre ´etudi´ee `

(a) Potentiel ´elev´e de stockage du carbone.

(b) Potentiel plus r´ealiste.

Figure 1.12 – Int´egration d’´energies renouvelables dans la production d’´electricit´e (en TWh) avec le mod`ele TIAM-FR [71]. Les sc´enarios de cette ´etude prospective pr´esentent les mix de production d’´electricit´e qui permettent de satisfaire aux engagements d’´emissions de gaz `a effet de serre pris par les ´Etats `a l’issue de l’accord de Copenhague. Les auteurs analysent l’impact de diff´erentes hypoth`eses sur le d´eploiement des technologies de capture et stockage du carbone. Dans les deux cas, le taux de p´en´etration des ´energies renouvelables en 2050, hors biomasse et hydro´electricit´e, est `a la limite des possibilit´es techniques des r´eseaux ´electriques actuels : 30 % avec un potentiel de stockage du carbone ´elev´e, qui favorise plus d’´energies fossiles dans le mix de production de (a) ; 60 % pour un potentiel de stockage du carbone corrig´e `a la baisse pour (b). De plus, la production d’´electricit´e dans (b) est nettement sup´erieure que dans (a), ce qui indique que la production d’´electricit´e est une variable d’ajustement significative vis-`a-vis des contraintes qui p`esent sur l’avenir ´energ´etique.

Conclusion

Ce chapitre a permis de pr´esenter comment les enjeux ´energ´etiques et climatiques sont susceptibles de modifier l’organisation du secteur ´electrique dans les prochaines ann´ees. Les

outils permettant d’anticiper les changements de ce secteur ont ´et´e pr´esent´es. Ils ont pour ambition d’´evaluer les marges de manœuvre possibles pour engager la transition de ce secteur. Cependant, les exercices de long terme, s’appuyant sur la r´esolution de l’´equilibre offre / demande, ne suffisent pas `a garantir la fiabilit´e des futurs syst`emes ´electriques. Or, il est essentiel de s’assurer que les solutions envisag´ees n’alt`erent pas la fourniture d’´electricit´e. La fiabilit´e de la fourniture repose sur des r´eserves dynamiques dont l’exploitant caract´erise l’´etat par le plan de tension et la fr´equence, et dont l’´evolution sur le long terme n’est pas ´evalu´ee. On doit donc bˆatir un mod`ele contraignant ces r´eserves dynamiques que le chapitre suivant a pour but d’expliciter. L’´evaluation de ces r´eserves devrait alors permettre de d´eterminer si les mix de production d’´electricit´e propos´es par le mod`ele TIMES correspondent `a un avenir ´electrique plausible. La d´emarche sera valid´ee avec l’exemple de l’approvisionnement ´electrique de l’ˆıle de La R´eunion au chapitre 3.

Importance des r´eserves magn´etique et cin´etique pour

´evaluer la fiabilit´e

Introduction

L’enjeu de ce chapitre est de proposer une m´ethode traduisant le comportement dyna- mique d’un syst`eme ´electrique – essentiellement sa capacit´e `a faire face `a une fluctuation de charge – `a partir du mix de production d’´electricit´e, de fa¸con `a ce que cette m´ethode soit compatible avec les exercices prospectifs.

La m´ethode que nous proposons s’appuie sur une description thermodynamique de l’´elec- tromagn´etisme ´evaluant les caract´eristiques dynamiques et spatiales du syst`eme ´electrique `a partir d’une vision agr´eg´ee des ´el´ements de production, transport et consommation (section 2.1) [73, 76].

Appliqu´ee aux syst`emes ´electriques, l’approche conduit `a valider un circuit `a une maille – ´equivalent `a un syst`eme ´electrique r´eel – comme approximation pertinente pour ´etudier le comportement dynamique d’un syst`eme ´electrique et estimer des ´el´ements agr´eg´es repr´esen- tatifs de son niveau de fiabilit´e (section 2.2). Nous mettons en ´evidence l’importance du rˆole des stocks d’´energies cin´etique et magn´etique des syst`emes pour la question de la fiabilit´e.

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A partir de l’analyse men´ee par le circuit `a une maille, nous ´etablissons enfin deux in- dicateurs de fiabilit´e d´eterminant si les stocks d’´energies cin´etique et magn´etique suffisent `

a maintenir les variations de tension et de fr´equence dans les limites relatives au niveau de fiabilit´e escompt´e (section 2.3). Nous montrons d’une part que les indicateurs peuvent ˆetre ´evalu´es pour tous les syst`emes ´electriques, et d’autre part que la fiabilit´e des syst`emes ´evolue dans le mˆeme sens que ces deux indicateurs.

2.1

Vers une repr´esentation agr´eg´ee des syst`emes ´electriques

Au chapitre pr´ec´edent, nous avons soulign´e qu’il ´etait difficile avec les m´ethodes actuelles de s’assurer de la fiabilit´e des syst`emes ´electriques sur le long terme. Pour apporter du r´ealisme aux outils prospectifs, il nous est apparu n´ecessaire d’´etudier la capacit´e des futurs syst`emes ´electriques `a faire face `a des incidents de production ou de consommation. Nous ne pouvons pas nous appuyer sur les m´ethodes pr´esent´ees pr´ec´edemment, car :

– celles utilis´ees `a moyen ou long terme, et en particulier dans les outils de planification, n’apportent pas d’indications sur les propri´et´es dynamiques des syst`emes ´electriques envisag´es ;

– celles utilis´ees en temps r´eel ou `a court terme (pilotage, dispatching, scheduling) ne sont pas compatibles avec les donn´ees dont nous disposons avec les exercices prospectifs (n´ecessit´e de connaˆıtre la topologie du r´eseau, les puissances inject´ees et soutir´ees aux nœuds du r´eseau, i.e. pour environ 100 nœuds pour le r´eseau 400 kV fran¸cais).

Pour surmonter ces difficult´es, nous proposons de nous appuyer sur une approche ther- modynamique de l’´electromagn´etisme qui permet de d´ecrire les ´equilibres et l’´evolution des champs ´electromagn´etiques `a partir de consid´erations ´energ´etiques globales [73, 76]. Une telle approche nous semble appropri´ee car elle adopte une vision globale des syst`emes ´electriques et ´evalue les caract´eristiques dynamiques et spatiales avec justesse, ce qui, `a notre connaissance, n’est permis par aucune autre m´ethode.

Dans cette section (2.1), nous pr´esentons et discutons les principaux r´esultats de l’ap- proche variationnelle de l’´electromagn´etisme [73], qui sont le point de d´epart de notre ap- proche et auxquels nous ferons r´ef´erence tout au long de ce chapitre.