Enjeux de moyen et long termes d'une transition vers une production d'électricité 100% renouvelable dans le cas de la France

National audienceEn 2014, la Commission Européenne, à travers son cadre d'action pour le climat et l'énergie [1], ainsi que la France, à travers sa loi sur la transition énergétique et la croissance verte [2], ont proposé des objectifs de pénétration des énergies renouvelable à 2030, en particulier pour le secteur électrique. Toutefois, certains moyens de production renouvelable, notamment l'éolien et le solaire photovoltaïque, dépendent de sources d'énergie fatale et variables ce qui les différentie des moyens de production conventionnels et induit des contraintes supplémentaires sur la gestion des systèmes électriques. En effet, consommation et production d'électricité doivent être rigoureusement égales à chaque instant, et si les opérateurs des systèmes électriques ont déjà l'habitude de gérer la variabilité de la demande et les aléas sur le parc de production, celle induite par les moyens de production renouvelable rend cette gestion encore plus difficile. L'expérience des pays voisins, dans lesquels la part du renouvelable variable dans la production d'électricité est désormais importante (12% en Italie en 2013 [3], 16% en Allemagne en 2014 [4], 16% en Irlande en 2013 [5], 25% au Portugal en 2013 [6], 26% en Espagne en 2014 [7], plus de 40% au Danemark en 2014 [8]), montre qu'il est possible d'envisager des systèmes électriques avec un niveau de pénétration du renouvelable atteignant 40%. Jusqu'à présent le renouvelable joue un rôle plus modeste dans le mix électrique français avec 4% de la production électrique totale en 2014 [9]. Toutefois, cette situation pourrait évoluer du fait, d'une part, des objectifs précédemment mentionnés et si, d'autre part, la place du nucléaire en France était remise en question. Dans cette étude nous évaluons une modification radicale du parc électrogène français en analysant les conséquences d'une transition vers un système électrique 100% renouvelable à l'horizon 2050, notamment les conséquences quant à la gestion d'un tel système électrique

Intégration du renouvelable et stratégie de déploiement du réseau électrique : réconciliation d'échelles spatio-temporelles dans des exercices prospectifs de long terme

Power systems are currently facing several issues in order to evolve and integrate less carbon-heavy, and potentially more local, production. Prospective model-based analysis is a precious tool for exploring the possible long-term developments of these systems and comparing their advantages and disadvantages. However, to ensure relevance, it is important to reconcile the spatial and temporal phenomena that occur at various scales. Power system management depends on constantly maintaining a complex supply- demand balance. Meeting this challenge requires anticipating demand variations and power plant availability, combined with regulation systems to resolve remaining discrepancies. These regulations are activated in from a few seconds up to several hours. On shorter timescales, power systems show inherent robustness: the power grid creates an electromagnetic coupling between synchronous machines allowing them to share their inertia. This inertia, which takes the form of kinetic energy, is instantaneously available to face natural demand or supply fluctuations. To ensure that proposed long-term scenarios are consistent with the robustness requirements of power systems, which enable their management, this robustness must be assessed using prospective modeling. In this work, we propose an indicator, calculable within prospective studies, which assesses power system stability, namely its ability to return to synchronism after a perturbation. This indicator is based on an aggregated description of the transportation power grid and describes the electromagnetic coupling brought by the power grid. When combined with a bottom-up model from the MARKAL/TIMES family describing the French power system, this synchronism indicator, along with another indicator quantifying the available kinetic reserve, enables us to assess the consequences of renewable penetration, especially in terms of power system robustness.Les systèmes électriques évoluent actuellement vers l'intégration d'une production moins carbonée, éventuellement plus locale. Afin d’explorer les évolutions possibles de ces systèmes sur le long terme, l’exercice prospectif s’appuyant sur des modèles est un outil précieux. Cependant, pour être pertinent, il doit réconcilier des phénomènes spatiaux et temporels à des échelles variées. Ainsi, le fonctionnement du système électrique repose sur un équilibre offre – demande à chaque instant. Afin de corriger les fluctuations de la production ou de la consommation qui surviennent nécessairement, les gestionnaires de réseau mettent en place un certain nombre de régulations dont les durées d’activation sont de l’ordre de quelques secondes à quelques heures. A des échelles de temps encore plus fines le système électrique présente une robustesse interne : le réseau électrique créé un couplage électromagnétique entre les machines synchrones qui leur permet de mutualiser leur inertie respective. Cette inertie, qui constitue une réserve d’énergie cinétique, est instantanément disponible pour faire face aux fluctuations. Pour que les scénarios de long terme proposés ne soient pas en contradiction avec les exigences de robustesse du système électrique, qui permettront son opération, il est nécessaire que l’évaluation de cette robustesse soit intégrée à la modélisation prospective. Dans ce travail, nous proposons un indicateur, calculable au sein des études de prospective, qui évalue la stabilité d’un système électrique, c’est- à-dire son aptitude à revenir au synchronisme suite à une perturbation. Cet indicateur repose sur une description agrégée du réseau de transport et traduit le couplage électromagnétique apporté par le réseau. Associé au modèle bottom-up de la famille MARKAL/TIMES décrivant le système électrique français, cet indicateur de synchronisme et un indicateur quantifiant la réserve cinétique disponible, nous permet d’évaluer les conséquences de la pénétration du renouvelable, notamment sur la robustesse du système électrique

Renewable energy integration and power grid extension : reconciling spatial and temporal scales in long term planning exercises

Les systèmes électriques évoluent actuellement vers l'intégration d'une production moins carbonée, éventuellement plus locale. Afin d’explorer les évolutions possibles de ces systèmes sur le long terme, l’exercice prospectif s’appuyant sur des modèles est un outil précieux. Cependant, pour être pertinent, il doit réconcilier des phénomènes spatiaux et temporels à des échelles variées. Ainsi, le fonctionnement du système électrique repose sur un équilibre offre – demande à chaque instant. Afin de corriger les fluctuations de la production ou de la consommation qui surviennent nécessairement, les gestionnaires de réseau mettent en place un certain nombre de régulations dont les durées d’activation sont de l’ordre de quelques secondes à quelques heures. A des échelles de temps encore plus fines le système électrique présente une robustesse interne : le réseau électrique créé un couplage électromagnétique entre les machines synchrones qui leur permet de mutualiser leur inertie respective. Cette inertie, qui constitue une réserve d’énergie cinétique, est instantanément disponible pour faire face aux fluctuations. Pour que les scénarios de long terme proposés ne soient pas en contradiction avec les exigences de robustesse du système électrique, qui permettront son opération, il est nécessaire que l’évaluation de cette robustesse soit intégrée à la modélisation prospective. Dans ce travail, nous proposons un indicateur, calculable au sein des études de prospective, qui évalue la stabilité d’un système électrique, c’est- à-dire son aptitude à revenir au synchronisme suite à une perturbation. Cet indicateur repose sur une description agrégée du réseau de transport et traduit le couplage électromagnétique apporté par le réseau. Associé au modèle bottom-up de la famille MARKAL/TIMES décrivant le système électrique français, cet indicateur de synchronisme et un indicateur quantifiant la réserve cinétique disponible, nous permet d’évaluer les conséquences de la pénétration du renouvelable, notamment sur la robustesse du système électrique.Power systems are currently facing several issues in order to evolve and integrate less carbon-heavy, and potentially more local, production. Prospective model-based analysis is a precious tool for exploring the possible long-term developments of these systems and comparing their advantages and disadvantages. However, to ensure relevance, it is important to reconcile the spatial and temporal phenomena that occur at various scales. Power system management depends on constantly maintaining a complex supply- demand balance. Meeting this challenge requires anticipating demand variations and power plant availability, combined with regulation systems to resolve remaining discrepancies. These regulations are activated in from a few seconds up to several hours. On shorter timescales, power systems show inherent robustness: the power grid creates an electromagnetic coupling between synchronous machines allowing them to share their inertia. This inertia, which takes the form of kinetic energy, is instantaneously available to face natural demand or supply fluctuations. To ensure that proposed long-term scenarios are consistent with the robustness requirements of power systems, which enable their management, this robustness must be assessed using prospective modeling. In this work, we propose an indicator, calculable within prospective studies, which assesses power system stability, namely its ability to return to synchronism after a perturbation. This indicator is based on an aggregated description of the transportation power grid and describes the electromagnetic coupling brought by the power grid. When combined with a bottom-up model from the MARKAL/TIMES family describing the French power system, this synchronism indicator, along with another indicator quantifying the available kinetic reserve, enables us to assess the consequences of renewable penetration, especially in terms of power system robustness

Sustainable design of power systems: A fully magnetic multi-scale model devoted to grid stability

International audienceTo address the abysmal lack of efficiency of the electrical system (73% of losses, 45% of worldwide CO2 emissions), an energy-efficient description of electromagnetism lying on a reversible interpretation of the Faraday's law is described. Space-consolidation and time-reconciliation of all the scales involved in the management of the power system are derived from this framework. At the upper space-scale, a simplified description of the grid based on the Kuramoto's model is proved to be suitable for assessing the stability of the synchronous state of a power system. Hence, a coherent approach for long-term power systems analysis is proposed and demonstrated in the case of the French Reunion island

A magnetic model dedicated to the stability of the power grid

International audienceTo address the abysmal lack of efficiency of the electrical system (73% of losses, 45% of worldwide CO2 emissions), an energy-efficientdescription of electromagnetism lying on a reversible interpretation of the Faraday's law is described. Space-consolidation and time-reconciliation of all the scales involved in the management of the power system are derived from this framework. At the upper space-scale, a simplified descriptionof the grid based on the Kuramoto's model is proved to be suitable for assessing the stability of the synchronous state of a power system. Hence, acoherent approach for long-term power systems analysis is proposed and demonstrated in the case of the French Reunion island

Feasible path toward 40–100% renewable energy shares for power supply in France by 2050: A prospective analysis

International audienceThis paper explores the conditions under which renewable energy sources (RES) penetration could jeopardize power system reliability, as well as which flexibility options could help integrate high levels of RES. For this purpose, we used an energy-planning model from the TIMES family, which provides a realistic representation of power systems and plausible options for their long-term development, completed by a thermodynamic description of power systems to assess their reliability. We applied this model to the case of France and built contrasted scenarios, from 0% to 100% renewable energy penetration by 2050. We also tested different assumptions on Variable Renewable Energy (VRE) production, imports, demand flexibility and biomass potential. We show that high renewable energy penetration would need significant investments in new capacities, new flexibility options along with imports and demand-response, and that it is likely to deteriorate power system reliability if no technologies dedicated to this issue are installed

Integrating renewable energy in power systems: Challenges and solutions

International audienceEnergy issues, such as greenhouses gas (GHG) emissions, resource scarcity and energy independency, are challenging the way we currently produce, transport and consume energy. For the long term, the EU has proposed a “Roadmap for moving to a competitive low-carbon economy in 2050”, which aims at an 80% to 95% reduction in GHG emissions compared to 1990. To achieve this goal, the main focus will be on renewable energy sources and the electrification of energy consumption. In the EU, the electricity and heat sectors accounted for 32% of total CO2 emissions in 2008 making them the leading source of CO2 emissions. This sector is also considered to be a main driver for reducing CO2 emissions. We propose here to explore technical options for the integration of renewable energy in power systems with a focus on reliability issues. We will rely on energy planning models, such as the TIMES family, which are useful tools to provide plausible options for the long-term development of power systems. We also developed a model based on a thermodynamical description of power systems that enables the assessment of power system reliabilit

A prospective analysis of contrasted renewable energy penetration targets in French power system

International audienc

Long-term modelling of renewable energy integration in the case of France

International audienc

Power system synchronism in planning exercise: From Kuramoto lattice model to kinetic energy aggregation

International audienceIn order to assess the stability of the synchronous state of a power system, a dedicated description of the grid based on the Kuramoto’s model is introduced. Hence, a coherent approach for long-term power systems analysis is proposed and derived in the case of the French Reunion Island