Planification intégrée des infrastructures d’énergie

(1)

Planification intégrée des infrastructures d’énergie

Introduction générale

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Sommaire

Objectifs du cours Contenu du cours

- Méthodes d’analyse de la demande d’énergie

- Méthodes d’analyse du système d’offre

- Méthodes d’analyse d’un système d’offre sectorielle: cas de l’électricité Méthodes d’enseignement

Exemples de contextes d’application des connaissances acquises

Cas particulier d’un problème d’adéquation à long terme entre la demande et l’offre d’électricité

Illustration par un exemple d’étude Exercice de compréhension

(3)

Objectifs du cours

Analyser la consommation et l’évolution de la demande d’énergie

Proposer et évaluer des variantes d’offre et d’approvisionnement en énergie en tenant compte:

- des aspects technico-économiques

- sociétaux

- environnementaux

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Contenu du cours

Méthodes d’analyse de la consommation et de la demande d’énergie

- Analyse de la consommation

- Mise en évidence des principaux déterminants/indicateurs

- Évaluation des évolutions à court, moyen et long terme

- Cas particulier de l’énergie électrique

Méthodes d’analyse du système d’offre d’énergie

- Analyse quantitative des chaînes de transformation d’énergie

- Conception et gestion de l’offre sectorielle (gaz, électricité, pétrole, bois,

…)

- Offre globale: substitution de chaînes de production d’énergie.

(5)

Contenu du cours

Méthodes d’analyse d’un système d’offre sectorielle: cas de l’électricité

- Organisation du secteur de l’électricité

- Évolution à moyen et long terme de la demande d’électricité

- Génération de variantes d’offre

- Évaluation, comparaison et choix des meilleures variantes

- Ouverture du marché de l’électricité à la concurrence; modèles de restructuration

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Méthode d’enseignement

Cours ex cathedra

Une étude de cas à réaliser par groupe

Des exercices d’application

Des exercices de compréhension

Contrôle des connaissances

- Examen autour de l’étude de cas

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Exemples de contextes d’application des connaissances acquises

Analyse du marché à moyen et long terme d’une forme d’énergie (électricité, gaz, …) dans un pays, une région, un canton, une

commune

Analyse des possibilités pour un fournisseur d’énergie (électricité, gaz, pétrole, chaleur à distance, …) de satisfaire ses clients à moyen et long terme

Analyse des possibilités d’approvisionnement en énergie d’une

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Cas particulier d’un problème d’adéquation à long terme entre la demande et l’offre d’électricité

Generation (Power Plants)

Transmission Networks (Grid)

Local Distribution System

Final Customers (Retail Sales)

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Exemple: Ajustement à moyen et long terme entre la demande et l’offre d’électricité dans un pays

Table de matière type d’une étude utilisant les connaissances transmises dans ce cours 1. Introduction

1.1 Contexte de l’étude

1.2 Objectifs et activités prévues

1.3 Cadre institutionnel de la planification énergétique dans le pays 1.3.1 Les institutions gouvernementales

1.3.2 Les entreprises du secteur énergétique 1.4 Institutions impliquées dans l’étude

1.5 Brève description des méthodologies à utiliser

(10)

2. Situation passée et présente du pays 2.1 Géographie et climat

2.2 Contexte macroéconomique

2.3 Consommation d’énergie primaire et ressources énergétiques 2.3.1 Consommation d’énergie primaire

2.3.2 Ressources énergétiques Pétrole et gaz naturel Lignite

Hydroélectricité Biomasse

Eolienne Solaire

…

Table de matière type (suite)

(11)

2.4 Consommation d’énergie distribuée par secteur 2.4.1 Agriculture

2.4.2 Secteur minier 2.4.3 Construction

2.4.4 Industrie manufacturière 2.4.5 Transport

2.4.6 Ménages 2.4.7 Services

(12)

2.5 Développement du secteur électrique 2.5.1 Demande d’électricité dans le passé

2.5.2 Installations de production d’électricité existantes et autres composantes de l’offre d’électricité

2.5.3 Plans existants pour le développement de l’offre d’électricité 2.6 Les plans et objectifs socio-économiques du pays

(13)

3. Définition de scénarios de développement 3.1 Cadre général des scénarios

3.2 Reconstitution de l’année de référence de l’étude 3.2.1 PIB et démographie pour l’année de référence

3.2.2 Consommation d’énergie distribuée par secteur pour l’année de référence

3.2.3 Vérification de la cohérence des données de l’année de référence

(14)

3.3 Base des scénarios

3.3.1 Politique des intervenants

3.3.1.1 Politique démographique

3.3.1.2 Croissance et mode de croissance macro- économique

3.3.1.3 Politique industrielle 3.3.1.4 Politique des transports

3.3.1.5 Politique de développement du secteur des services Table de matière type (suite)

(15)

3.3.2 Hypothèses de base 3.3.2.1 Population

3.3.2.2 Croissance économique 3.3.2.3 Commerce extérieur

3.3.2.4 Développement industriel

3.3.2.5 Développement du secteur des transports 3.3.2.6 Développement du secteur des services 3.3.2.7 Équipement des ménages

(16)

3.3.4 Grille pour la description de chaque scénario 3.3.4.1 Croissance économique

3.3.4.2 Intensité énergétique spécifique dans l’industrie 3.3.4.3 Substitution énergétique dans l’industrie

3.3.4.4 Intensité énergétique spécifique dans le secteur des transports

3.3.4.5 Substitution énergétique dans le secteur des transports

3.3.4.6 Intensité énergétique spécifique dans le secteur des services

3.3.4.7 Substitution énergétique dans le secteur des services

(17)

3.3.4 Grille pour la description de chaque scénario

3.3.4.8 Évolution des conditions de vie et équipement des ménages

3.3.4.9 Consommation énergétique spécifique des ménages 3.3.4.10 Substitution énergétique dans le secteur résidentiel

(18)

4. Perspectives d’évolution de la demande d’énergie

4.1 Demande totale d’énergie distribuée et demande d’énergie distribuée par habitant

4.1.1 Prévision de la demande d’énergie distribuée

4.1.2 Tendances futures d’évolution de la demande d’énergie distribuée et du PIB par habitant

(19)

4.2 Analyse et comparaison de la demande d’énergie distribuée par secteur

4.2.1 Secteur industriel

4.2.2 Secteur des transports 4.2.3 Secteur des services 4.2.4 Secteur résidentiel

(20)

4.3 Analyse de la demande d’énergie distribuée par agent énergétique

4.3.1 Energie traditionnelle (circuit non marchand ou circuit marchand informel)

4.3.2 Agents énergétiques dans le circuit marchand

4.3.3 Comparaison des résultats des différents scénarios 4.4 Comparaison des résultats avec ceux d’autres travaux

4.5 Analyse détaillée de la demande d’électricité et comparaison avec les résultats d’études antérieurs

4.6 Conclusions

(21)

5. Perspectives d’évolution de la puissance électrique demandée 5.1 Introduction

5.2 Hypothèses sur les profils des courbes de charge 5.3 Demande d’énergie électrique et courbes de charge

5.3.1 Reconstitution de la courbe de charge pour l’année de référence

5.3.2 Évolution des courbes de charge pour chaque scénario

(22)

6. Système de production d’énergie électrique 6.1 Introduction

6.2 Données de base

6.2.1 Période de planification

6.2.2 Prévision de la demande d’électricité (énergie et courbes de charge)

6.2.3 Centrales de production existantes et décisions déjà prises pour le développement du parc de production d’électricité 6.2.4 Centrales de production d’électricité candidates pour le

développement du parc de production d’électricité

6.2.5 Données technico-économiques et environnementales pour la recherche des meilleures variantes de développement du parc des moyens de production d’électricité

(23)

7. Stratégies d’ajustement entre l’offre et la demande d’énergie électrique

7.1 Stratégies de référence

7.2 Stratégies privilégiant les ressources énergétiques indigènes et la sécurité nationale d’approvisionnement énergétique

7.3 Stratégies « ouvertes »

(24)

8. Caractérisation des stratégies pour chaque scénario 8.1 Caractérisation économique

8.2 Caractérisation sociétale

8.3 Caractérisation environnementale

(25)

9. Évaluation multicritère et multi-scénario des stratégies 9.1 Choix et justification de la méthode multicritère choisie 9.2 Détermination des poids des critères

9.3 Recherche des meilleures solutions 9.4 Synthèse des résultats

(26)

10. Prise en considération des incertitudes et des imprécisions

10.1 Sensibilité des résultats par rapport aux variables incertaines 10.2 Sensibilité des résultats par rapport aux données imprécises 10.3 Recherche des solutions les plus robustes

(27)

11. Synthèse des résultats principaux

11.1 Plans de développement les plus adéquats

11.2 Comparaison avec les résultats d’études antérieures 11.3 Conclusions et recommandations

(28)

Illustration par un exemple d’étude

Adéquation entre la demande et l’offre d’électricité dans la province de Shanghai (Chine)

E. Gnansounou, J. Dong

(29)

Illustration par un exemple d’étude

Shanghai:

Population: 13 Million Surface: 6340km2

(30)

Illustration par un exemple d’étude

Analyse détaillée de la demande d’électricité Catégories de consommateurs par secteur

primaire

Textile Machine

secondaire tertiaire secteurs productif

urbain rural

résidentiel totale

……

(31)

Analyse détaillée de la demande d’électricité (suite)

Évolution de consommation d’électricité totale et de la sa répartition sectorielle, relation entre consommation d’électricité et PIB

Secteurs productifs

Évolution de valeur ajoutée et de la structure de l’économie.

Évolution des intensités de consommation d’électricité.

Secteur résidentiel

Illustration par un exemple d’étude (suite)

(32)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Évolution et structure de la consommation d’électricité

Taux de croissance de consommation d’électricité 1988-1998

(% p.a.)

Total Primaire Secondaire Tertiaire Résidentiel urbain

Résidentiel rural

7.56 4.92 5.62 17.08 17.52 11.14

Electricity consumption structure in 1988

secondary

85%

primary 3%

household

tertiary 4%

8%

Electricity consumption structure in 1998

tertiary 17%

household 10%

primary 2%

secondary 71%

(33)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Évolution du PIB et de la structure de l’économie

Valeur ajoutée

PIB Primaire Secondaire Tertiaire 1988-1998 11.84 2.25 11.67 12.81

Taux de croissance de PIB et valeur ajoutée (% p.a.)

Le structure de l’économie en 1988 et 1998 (%) (proportion de valeur ajoutée du secteur dans le PIB)

Primaire Secondaire Tertiaire Total

(34)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Évolution de la consommation d’électricité

PIB and valeur ajoutée

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000

année Milliard yuan95

total pri.

sec.

ter.

Consommation d’électricité

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 année

TWh total

pri.

sec.

ter.

Résid.

Évolution du PIB et de la valeur ajoutée

(35)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Analyse détaillée de la demande d’électricité (suite) Relation entre la consommation d’électricité et le PIB

Consommation d’électricité et PIB

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 TWh

(36)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Intensité d’électricité

0 0.05

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999

année

kWh/yuan total

pri.

sec.

ter.

Évolution de l’intensité de consommation d’électricité

(37)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Analyse détaillée de la demande d’électricité (suite) Evolution démographique

Taux de croissance de la population 1988-1998: 0.3% p.a.

3.2 personnes par ménage en 1988, 2.8 personnes par ménage en 1998

Consommation d’électricité annuelle par ménage

400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

kWh/ménage

total urbain rural

(38)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Prévision de la demande d’électricité (suite)

Prévision de la demande d'électricité

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

2000 2005 2010 2015 2020

année TWh

scénario1 scénario2 scénario3

(39)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

La courbe de charge journalière pour l’été, l’hiver, le printemps et l’automne 1998

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 MW

été hiver p/a

Analyse de la puissance électrique demandée

(40)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Évolution de la puissance maximale

0 2000 4000 6000 8000 10000

1988 1990 1992 1994 1996 1998 année MW

(41)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Perspectives de la puissance maximale

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

MW

(42)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Monotones de charge

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Temps Charge

(43)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Centrales de production d’électricité existantes :

17 centrales thermiques: 13 centrales à charbon, 2 centrales au pétrole de 100MW et 200MW, 1 centrale nucléaire avec des unités de 600MW, 1 centrale au gaz naturel avec des unités de 100MW.

Dans les 13 centrales à charbon, 5 centrales ont des unités de 300MW, 3 centrales ont des unités de 600MW, les autres centrales ont des unités à 100MW.

1 centrale hydroélectrique de pompage/turbinage avec des unités de 300MW.

Système de production d’énergie électrique Période de planification: 2000-2020

(44)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Décisions déjà prises pour le développement du parc de production d’électricité:

- Une centrale nucléaire avec 2 unités de 700MW - Une centrale à charbon avec 2 unités de 900MW

- Une centrale hydroélectrique avec 6 unités de 500MW

(45)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Centrales de production d’électricité candidates pour le développement du parc de production d’électricité:

Centrale à gaz à cycles combinés de 300MW Centrale à charbon de 300MW

Centrale à charbon de 600MW Centrale à charbon de 900MW Centrale nucléaire de 1000MW

Centrale hydroélectrique pompage/turbinage de 300MW

(46)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Données technico-économiques et environnementales pour la recherche des meilleures variantes de développement du parc des moyens de production d’électricité

Données technico-économiques pour les centrales existantes et candidates:

Capacité, type de combustible, prix de combustible, rendement, taux de pannes, coût d’exploitation, coût d’investissement, durée de vie, durée de construction, intérêt durant la construction, etc.

Données technico-économiques pour le système:

LOLP : 1 jour/an

Coût de l’energie non fournie : 7800 Yuan/MWh

(47)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Données environnementales:

Pénalité pour les émissions de CO2: Yuan/tonneCO2 Contrainte d’émission de CO2: tonneCO2/an

Données générales:

Taux d’actualisation : 8%

Facteur de renchérissement

(48)

Illustration par un exemple d’étude (suite)

Résultats de l’analyse de variantes de développement du parc

Le plan optimal de développement du parc avec le nombre et l’année de mise en service des nouvelles centrales

Le coût total et sa structure: coût de combustible, coût d’exploitation, coût d’investissement.

La production d’électricité de chaque centrale.

La quantité consommée de chaque type de combustible.

Les émissions de CO2 de chaque type de centrale.

Le coût de production d’électricité du système.

(49)

Illustration par un exemple d’étude

Analyse de sensibilité sur:

Taux d’actualisation Coût d’investissement Prix de combustible Pénalité de CO2

Contrainte d’émission de CO2

(50)

Energy generated by fuel type (Carbon Baseline)

0.00 20'000.00 40'000.00 60'000.00 80'000.00 100'000.00 120'000.00 140'000.00

Enery generated (GWh)

Hydro Oil Nuclear Gas Coal

Hydro 940.9 2254.9 4033.3 5811.7 7125.7 8904 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683

Oil 18.4 5.4 0.8 1.1 2.2 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Nuclear 14233 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506

Gas 30.8 10.7 1.9 2.3 4.4 4.6 4.3 24.6 111 191.7 228 163.3 203.7 204.4 172.3 152.3 166.9 147.1

Coal 45859 42468 42984 43763 46041 47186 48443 52656 55959 59608 63409 67519 71547 76022 80297 85005 89906 94920

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

(51)

Energy generated by fuel type (Carbon + Nuclear)

0.00 20'000.00 40'000.00 60'000.00 80'000.00 100'000.00 120'000.00 140'000.00

Enery generated (GWh)

Hydro Oil Nuclear Gas Coal

(52)

Energy generated by fuel type (Carbon + Nuclear + Gas)

0.00 20'000.00 40'000.00 60'000.00 80'000.00 100'000.00 120'000.00 140'000.00

Enery generated (GWh)

Hydro Oil Nuclear Gas C oal

Hyd ro 9 4 0 .9 2 2 55 4 0 3 3 58 12 712 6 8 9 0 4 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3 10 6 8 3

Oil 18 .4 5.4 0 .8 1.1 2 .2 0 .3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Nuclear 14 2 3 3 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 19 50 6 2 74 2 7 2 74 2 7 3 53 4 8 3 53 4 8 3 53 4 8 Gas 3 0 .8 10 .7 1.9 2 .3 4 .4 4 .6 4 .3 2 4 .6 111 19 1.7 3 0 0 .5 2 8 2 .1 4 3 0 .8 4 73 .1 59 2 .1 6 8 6 .9 716 .2 8 6 9 .6 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 10 2 0 11 2 0 12 2 0 13 2 0 14 2 0 15 2 0 16 2 0 17 2 0 18 2 0 19 2 0 2 0

(53)

Evolution of CO₂ emission (baseline)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

CO2 emission (Mt)

(54)

Evolution of CO₂ emission (CO2 penalty)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

CO2 emission (Mt)

Carbon baseline 5$ CO2 penalty 3$ CO2 penalty

(55)

Exercice de compréhension

L’entreprise Gaz S.A. distribue du gaz naturel dans une ville de

100’000 habitants dont la population est en croissance. En janvier 2010 seulement 30% de la population de cette ville a accès au réseau de

distribution du Gaz naturel. Gaz S.A. est disposée à étendre son réseau de distribution de gaz mais à condition que ses nouveaux

investissements soient rentables. Elle vous charge de lui recommander les meilleures stratégies à suivre.

• A quelles questions pertinentes devrez-vous répondre ?

• De quelles informations avez-vous besoin ?

(56)

Approvisionnement de la Suisse en gaz naturel

(57)

Approvisionnement de la Suisse en gaz naturel