CONSTRUCTION D’UN MODELE BOTTOM-UP DES SYSTEMES GAZ ET ELECTRIQUE FRANÇAIS

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Eléments de contexte

Au cours de la dernière décennie, nous avons pu assister à l’expérimentation de plusieurs nouvelles filières pour contribuer aux objectifs nationaux de décarbonation du système énergétique français :
• En 2011, avec la première unité française d’injection de biométhane par méthanisation dans le réseau de distribution de gaz à Lille, et le 17 septembre 2015 dans le réseau de transport à Chagny (71 – Saône et Loire).
• Le 20 octobre 2017, l’inauguration de la première plateforme française de production de biométhane issue de la biomasse sèche (projet GAYA) à Saint-Fons (69 – Rhône).
• Le 18 décembre 2017, la pose de la première pierre du premier démonstrateur industriel français de production de méthane de synthèse à partir des procédés d’électrolyse de l’eau et de méthanation (projet Jupiter 1000) à Fos-sur-Mer (13 – Bouches du Rhône).
• En 2015, l’inauguration de la première station1 de recharge pour véhicules hydrogène de France à Saint-Lô (50 – Manche).
• De 2010 à 2013, la mise en place de la première chaîne française pilote complète de Capture et Séquestration du Carbone (CSC) à Lacq (64 – Pyrénées-Atlantiques).
Aujourd’hui, ces nouvelles filières sont à des stades de maturité différents. La filière biométhane issue de la méthanisation est désormais prête pour un déploiement à grande échelle. En revanche, les autres technologies mentionnées sont encore en phase pilote et il subsiste encore de nombreuses incertitudes quant à leur déploiement.
L’émergence potentielle de ces nouveaux chemins technologiques renforce la complexité des choix technologiques à réaliser par les acteurs de l’énergie et les pouvoirs publics pour l’atteinte d’objectifs de décarbonation. Dans quels contextes ces filières pourraient-elles se développer pour les atteindre ? Quelles seraient le cas échéant les perspectives de compétition/coopération de ces technologies ?
La connaissance ainsi que la compréhension des contributions futures possibles de ces nouvelles filières vis-à-vis de leurs caractéristiques respectives et des contraintes d’équilibre offre-demande sont un élément de réflexion essentiel pour les planifications des investissements à réaliser, afin de concevoir un nouveau système énergétique moins émissif.
1 A la fin de l’année 2018, la région Normandie en comptera onze, ce qui constitue la plus forte densité au niveau national et
Européen (Région Normandie, 2018).
Dans ce travail, nous avons mené une réflexion prospective sur le positionnement de ces nouveaux systèmes à l’horizon 2050 pour la France, en tenant compte des trajectoires induites et en prenant en considération les contraintes de flexibilité saisonnières/intra-journalières. Ce travail a tout d’abord été réalisé au sein des systèmes gaz et électrique avec des scénarios de demande finale figés. Des réflexions complémentaires considérant les possibilités de substitutions des vecteurs (électricité, gaz, hydrogène) pour les usages de l’énergie ont ensuite été menées.
Cette thèse a été co-encadrée par le Centre de Mathématiques Appliquées (CMA) de MINES ParisTech et GRTgaz, un des deux gestionnaires de réseau de transport de gaz en France membre depuis 2014 de la Chaire2 « Modélisation Prospective au service du Développement Durable » (MPDD). Les thématiques étudiées présentent notamment un intérêt pour la Direction Stratégie et Régulation de GRTgaz au sein de laquelle une immersion de 12 mois a été réalisée.
Organisation du document
Ce travail est structuré en quatre chapitres :
L’objectif du premier chapitre est dans un premier temps de dresser un panorama des caractéristiques du système énergétique actuel : d’une part de la demande, d’autre part des systèmes gaz et électrique qui constituent notre principal objet d’étude. Il vise dans un second temps à fournir des éléments de compréhension de nouvelles technologies de décarbonation candidates (biométhane, power-to-gas, CCS) avec une description technique des procédés accompagnée d’un état des lieux du niveau de maturité des filières.
Dans le second chapitre, nous explicitons en quoi consiste l’approche prospective que nous avons adoptée pour ce travail. Nous présentons ensuite la méthodologie retenue au regard des enjeux de modélisation spécifiques aux analyses que nous souhaitons réaliser : l’optimisation des systèmes avec le générateur de modèles TIMES.
Le troisième chapitre propose des éléments d’analyse du positionnement des nouvelles filières gazières et électriques à l’horizon 2050 sur la base de scénarios de demande finale. Ces scénarios intègrent des jeux d’hypothèses contrastés concernant la disponibilité des technologies, les stratégies de décarbonation (trajectoires, taxes, budget carbone) et le contexte socio-économique (niveau de demande, élasticité-prix). Le positionnement des systèmes d’offre est évalué sur la base d’une analyse conjointe des trajectoires des mix gaz et électrique. Nous discutons ensuite des enjeux d’équilibre offre-demande induits par les nouvelles filières. Ces évaluations techniques sont complétées par une comparaison des coûts engendrés par les scénarios définis.
Le quatrième chapitre a pour objectif d’étendre la réflexion initiée dans le chapitre 3 en élargissant le périmètre d’analyse à l’ensemble du système énergétique, c’est-à-dire en intégrant la possibilité de transferts d’usages pour répondre à des besoins de services énergétiques.
1 Enjeux de long terme pour les systèmes gaz et électrique français
Dans cette première section, nous présentons les caractéristiques et les enjeux de long terme pour les systèmes gaz et électrique français. Cela permet de comprendre le contexte dans lequel les nouvelles filières qui seront présentées dans la section 2 sont susceptibles de s’insérer.
Pour ce faire, nous présentons les caractéristiques des consommations de gaz et d’électricité au sein du système énergétique français, tout d’abord en bilan annuel puis en effectuant une analyse des dynamiques horo-saisonnières des demandes. Nous mettons ensuite en évidence l’importance des infrastructures et des solutions de flexibilité pour assurer les équilibres offre-demande.
Enfin, nous montrons en quoi le gaz et l’électricité revêtent une importance particulière pour la transition énergétique.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1 ELEMENTS DE CONTEXTE
2 ORGANISATION DU DOCUMENT
CHAPITRE 1 : DE NOUVELLES INTERACTIONS ENTRE LES SYSTEMES GAZ ET ELECTRIQUE
1 ENJEUX DE LONG TERME POUR LES SYSTEMES GAZ ET ELECTRIQUE FRANÇAIS
1.1 LA CONSOMMATION D’ENERGIE FRANÇAISE
1.2 GAZ ET ELECTRICITE : DEUX ENERGIES DE RESEAU DISPOSANT D’IMPORTANTES INFRASTRUCTURES
1.3 GAZ ET ELECTRICITE AU COEUR DES PREOCCUPATIONS POUR LES TRANSITIONS ENERGETIQUES
2 DESCRIPTION DES FILIERES GAZ RENOUVELABLES ET CCS
2.1 LE BIOMETHANE ISSU DE LA METHANISATION
2.2 LE BIOMETHANE ISSU DE LA GAZEIFICATION
2.3 INJECTION D’HYDROGENE ET DE METHANE DE SYNTHESE DANS LES RESEAUX PAR DU POWER-TO-GAS
2.4 FILIERE CAPTURE, TRANSPORT ET STOCKAGE/UTILISATION DU CO2
3 CONCLUSIONS
CHAPITRE 2 : CONSTRUCTION D’UN MODELE BOTTOM-UP DES SYSTEMES GAZ ET ELECTRIQUE FRANÇAIS
1 INTRODUCTION
2 TIMES : UN GENERATEUR DE MODELES BOTTOM-UP
2.1 LE SYSTEME ENERGETIQUE DE REFERENCE
2.2 FORMULATION MATHEMATIQUE
3 DESCRIPTION DU MODELE « TIMES-FR-GAZEL »
3.1 CARACTERISTIQUES ET TOPOLOGIE GENERALE DU MODELE
3.2 CHOIX DE MODELISATION POUR LE SYSTEME GAZ
3.3 CHOIX DE MODELISATION POUR LE SYSTEME ELECTRIQUE
3.4 MODELISATION DE LA DEMANDE
4 CONCLUSIONS
CHAPITRE 3 : ETUDE PROSPECTIVE DU POSITIONNEMENT DES NOUVELLES FILIERES GAZIERES ET ELECTRIQUES
1 INTRODUCTION
2 POSITIONNEMENT DES NOUVELLES FILIERES GAZIERES ET ELECTRIQUES SUR LA BASE DE SCENARIOS DE DEMANDE FINALE
2.1 OBJECTIF « FACTEUR 4 » ET ENJEU DES HYPOTHESES SUR LE RYTHME DE DEPLOIEMENT DES FILIERES DE DECARBONATION
2.2 ETABLISSEMENT D’UNE CONFIGURATION PIVOT ET DEFINITION DES SCENARIOS
2.3 POSITIONNEMENT DES TECHNOLOGIES DANS LE CAS DE LA CONFIGURATION « PIVOT»
2.4 IMPACT DE LA DISPONIBILITE/ACCEPTABILITE DES FILIERES DE DECARBONATION
2.5 IMPACT DE LA STRATEGIE DE DECARBONATION
3 GESTION DES EQUILIBRES OFFRE-DEMANDE
3.1 EQUILIBRES OFFRE-DEMANDE AU PAS HORAIRE
3.2 GESTION DE LA PRODUCTION DE BIOMETHANE : ENJEU CENTRALISE/DECENTRALISE
4 ANALYSE ECONOMIQUE DES SCENARIOS DEFINIS
4.1 ANALYSE DES COUTS PAR SYSTEME ET PAR FILIERE
4.2 INFLUENCE DES SCENARIOS SUR LE COUT MARGINAL DE LA CONTRAINTE CO2
4.3 INFLUENCE DE LA PRISE EN COMPTE DE L’ELASTICITE DE LA DEMANDE
5 CONCLUSIONS
CHAPITRE 4 : CONSTRUCTION D’UN MODELE DU SYSTEME ENERGETIQUE FRANÇAIS PILOTE PAR DES DEMANDES DE SERVICES INTRA-JOURNALIERES
1 INTRODUCTION
2 CHOIX DE MODELISATION POUR LA FOURNITURE D’ENERGIE AUX SECTEURS DE DEMANDE
2.1 PRODUCTION ET TRANSPORT DE L’HYDROGENE-ENERGIE
2.2 ACHEMINEMENT POUR LES AUTRES VECTEURS
3 CHOIX DE MODELISATION : SYSTEMES DE DEMANDE ET SERVICES ENERGETIQUES
3.1 SECTEURS RESIDENTIEL ET TERTIAIRE
3.2 SECTEUR DES TRANSPORTS
4 PREMIERES SIMULATIONS
4.1 HYPOTHESES DE DEMANDE
4.2 POSITIONNEMENTS DES VECTEURS ENERGETIQUES DANS LE CAS D’UNE CONTRAINTE « FACTEUR 4 »
4.3 INTRODUCTION DE DEUX VARIANTES
4.4 INTEGRATION DE POSSIBILITES DE SUBSTITUTIONS TECHNOLOGIQUES DANS L’INDUSTRIE
5 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
ANNEXES
ANNEXES DU CHAPITRE 1
ANNEXES DU CHAPITRE 2
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES