Simulation des impacts des actions de Maîtrise de la Demande en Électricité

Depuis les années 1980, plusieurs facteurs jouent en faveur d’une décentralisation des politiques énergétiques. Cela se traduit par une action plus locale, menée par une plus grande diversité d’acteurs, et favorisant des approches transversales de l’énergie [BOUVI05]. Ce phénomène devient de plus en plus visible, poussé par l’ouverture récente des marchés (libéralisation, dérégulation, dégroupage) de l’électricité et le processus national de décentralisation du pouvoir de l’Etat [POUPE04b]. De fait, le système énergétique se restructure. Nous entendons par système énergétique : l’ensemble des unités en interaction composant la structure et l’organisation nécessaire à la gestion de flux matériels (par exemple, bois, émission de CO2, matériaux de construction, etc.) et immatériels (information, flux financier, etc.), pour délivrer des services énergétiques sur un territoire donné » d’après [IBRAH07]. Le système énergétique va maintenant s’élaborer dans un nouveau contexte décisionnel, suivant un changement majeur de paradigme énergétique, où la demande devient une variable possible d’ajustement du système [IEADS09]. Ce constat nous invite à adapter nos manières de planifier le système énergétique et notamment dans la prise en compte des spécificités locales des territoires.

Dans ces changements en cours, la Maîtrise de la Demande en Electricité (MDE) bénéficie d’une place de premier choix. La MDE désigne «les actions conduites par les pouvoirs publics et par les producteurs et/ou distributeurs d’énergie, destinées à inciter et parfois obliger les usagers d’un secteur d’activités à changer leurs manières d’utiliser ou de consommer l’énergie » [KAEHL93]. De plus en plus d’actions de MDE sont menés de nos jours [NADAU05], [BROC06], [COPER02]. La MDE a déjà connu des périodes fastes dans les années 1980, [GELLI96] mais elle suscite aujourd’hui un regain d’intérêt [BROC06], porté par d’autres préoccupations d’ordres énergétiques, économiques et environnementales. Elle est également utilisée dans bien des cas comme une solution alternative au renforcement de réseau [BAILLY03], [ADEME07], et notamment pour la gestion dynamique de l’équilibre des réseaux [IPAKC09]. A cette fin, nous retrouvons des actions en faveur :
– des économies d’énergie (campagne de promotion des équipements efficients, formation des professionnels du bâtiment, campagne de communication des bonnes pratiques sur ces usages, etc.) ;
– du développement de la production décentralisée et répartie (subvention du solaire thermique, photovoltaïque, développement de la filière bois etc.) ;
– de pilotage de charge (développement de systèmes de contrôle-commande et de pilotage en dynamique de la consommation etc.), voir à ce propos les actions présentées dans [ADEME07].

L’évolution du système électrique

La « fée électricité » est un vecteur énergétique d’exception. C’est le seul vecteur permettant un transport quasi instantané de l’énergie sur de longues distances. Fort de cette extraordinaire capacité, moins de deux siècles ont suffi pour passer des premières « machines électriques » au développement d’un système électrique capable de délivrer des services liés à l’usage d’électricité à l’échelle de vaste territoire (européen, américain, chinois etc.). Ce développement est appliqué à la maîtrise du transport de l’électricité, de la production d’importantes quantités d’énergie et à l’interconnexion des sites de production [BASTA99] et [DEFEU01].

Paralèlement au développement physique des réseaux de transport et de distribution, se met en place une organisation économique, législative et juridique aboutissant à une structure en monopole dit « naturel » d’un opérateur sur un périmètre donné. Cette tendance qui se retrouvera dans un grand nombre de pays tient au caractère capitalistique du secteur de l’électricité, de l’indivisibilité de l’offre et de son statut de vecteur de développement. Poussé par un contexte économique et politique de libéralisme, le système électrique européen va, au début des années 90, muter vers le dégroupage pour la privatisation de certains secteurs du système électrique. Dans le même temps, la décentralisation du pouvoir engagée dans les années 1980 en France progresse et entre peu à peu dans une phase opérationnelle, modifiant le paysage institutionnel du secteur électrique. Pour citer quelques exemples, nous indiquons les politiques énergétiques menées par les collectivités territoriales en faveur du développement de certaines filières de production ou celles d’économie d’énergie ou encore la saisie par la société civile de certains dossiers de développement du réseau de transport (par exemple l’association le Quercy Blanc environnement dans les années 90 pour la ligne THT, Golfech-Pradines dans le département Lot, ou encore dans les années 90 et début 2000 les élus et les associations des Gorges du Verdon pour la ligne Boutre-Broc Carros dans le département Alpes-Maritimes).

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 (cf. Figure II.2.1) 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’espace2, 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 (cf. Figure II.2.2) 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).

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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

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