THESE DE DOCTORAT Camille Cany

346 Pages·2017·7.2 MB·French

NNT : 2017SACLC015

TT
HESE DE DOCTORAT
DE
LL’’UUNIVERSITE PARIS-SACLAY
PREPAREE A
CENTRALESUPELEC

ECOLE DOCTORALE N°573
Interfaces ::: aaapppppprrroooccchhheeesss iiinnnttteeerrrdddiiisssccciiipppllliiinnnaaaiiirrreeesss /// fffooonnndddeeemmmeeennntttsss,,, aaappppppllliiicccaaatttiiiooonnnsss eeettt
innovation

SScciieenncceess eett tteecchhnnoollooggiieess iinndduussttrriieelllleess

Par

Camille Cany

Interactions eeennntttrrreee ééénnneeerrrgggiiieee nnnuuucccllléééaaaiiirrreee eeettt ééénnneeerrrgggiiieeesss rrreeennnooouuuvvveeelllaaabbbllleeesss vvvaaarrriiiaaabbbllleeesss dddaaannnsss lllaaa
ttrraannssiittiioonn éénneerrggééttiiqquuee eenn FFrraannccee : adaptations du parc éélleeccttrriiqquuee vers plus de
flexibilité

TThhèèssee pprréésseennttééee eett ssoouutteennuuee àà Châtenay-Malabry, le 16 Mars 2017 :
Composition du Jury :
MM.. KKeepppplleerr JJaann HHoorrsstt,, PPrrooffeesssseeuurr ddeess uunniivveerrssiittééss,, UUnniivveerrssiittéé PPaarriiss DDaauupphhiinnee,, Président
Mme Creti Anna, Professeur des uuniversités, Université Paris Dauphine, Rapporteur
M. Porcheron Marc, IInnggéénniieeuurr cchheerrcchheeuurr sséénniioorr, HDR, EDF R&D, Rapporteur
M. Béthoux Olivier, MMaaîîttrree ddee ccoonnfférences, Université Paris-Saclay, Examinateur
M. Devezeaux de Lavergne Jean-GGGuuuyyy,,, IIInnngggééénnniiieeeuuurrr ccchhheeerrrccchhheeeuuurrr,,, DDDooocccttteeeuuurrr ddd’’’EEEtttaaattt,,, CCCEEEAAA,,, EEExxxaaammmiiinnnaaattteeeuuurrr
M. Bocquet Jean-Claude, PPrrooffeesssseeuurr éémméérriittee,, CentraleSupélec, Directeur de thèse
M. da Costa Pascal, Professeur cchhaarrggéé ddee ccoouurrss, CentraleSupélec, Co-directeur de thèse
Mme Mansilla Christine, IInnggéénniieeuurr cchheerrcchheeuurr, HDR, CEA, Encadrante
2
L’école CentraleSupélec et le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives
n’entendent donner aucune approbation ni improbation aux opinions émises dans cette thèse ; ces
opinions doivent être considérées comme propres à leur auteur.
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REMERCIEMENTS
Mon expérience de thèse a été riche d’enseignements, tant sur le plan professionnel que personnel.
Elle a été une étape structurante dans mon parcours professionnel et je dois la réussite de ce projet à
l’écoute, aux conseils et la bonne humeur de toutes les personnes qui m’ont soutenue pendant ces
années. Voici venu le moment des remerciements.
Je tiens d’abord à remercier chaleureusement Jean-Claude Bocquet, mon directeur de thèse, de
m’avoir acceptée pour réaliser cette thèse avec le soutien académique du Laboratoire de Génie
Industriel (LGI) à CentraleSupélec. Je suis aussi sincèrement reconnaissante envers Jean-Guy
Devezeaux de Lavergne, directeur de l’Institut de technico-économie des systèmes énergétiques (I-
tésé) au CEA, de m’avoir accueillie à l’I-tésé et de m’avoir permis de réaliser ce projet. Merci de
m’avoir laissé toute la liberté dans les choix que j'ai pu faire tout au long de la thèse et de m'avoir
offert de nombreuses opportunités pour présenter mon travail dans des conférences internationales.
Je remercie affectueusement mes encadrants pour leurs conseils précieux. D’abord, j’exprime ma
gratitude envers Gilles Mathonnière pour ses conseils d’expert dans le domaine du nucléaire. Je
remercie Pascal da Costa pour son accompagnement et son expertise économique qui a permis
d’enrichir mes travaux. J’adresse des remerciements tous particuliers à Christine Mansilla pour son
soutien au quotidien et sa clairvoyance. Christine m’a conseillée et orientée, toujours avec grande
humilité, efficacité et pertinence. J’ai beaucoup appris en travaillant à ses côtés.
J’adresse mes remerciements sincères à Marc Porcheron, Anna Créti, Jan Horst Keppler et Olivier
Béthoux pour le temps qu’ils ont consacré à examiner mon travail et pour leurs retours constructifs.
Je tiens aussi à remercier tous ceux qui ont contribué, de par leurs conseils avisés, à éclairer le chemin
de la thèse. Je pense en particulier à Laetitia Andrieu, Paul Fourment et Caroline Bono mais aussi à
Timothée Hinchliffe, Vera Silva et Aurore Briant d’EDF R&D envers lesquels je suis très
reconnaissante de l’aide qu’ils ont pu m’apporter pour mieux comprendre la gestion opérationnelle du
parc nucléaire.
Je remercie aussi toute l’équipe d’I-tésé dont la grande richesse tient à la diversité des profils qui la
composent : Anne, Sophie, Françoise, Elisabeth, Frédéric J., Michel, Alain, Séverine, Jean-Marc,
Elvire. Je remercie aussi les anciens : Fréderic L., Thierry, Yves, Nathalie. J’adresse mes
remerciements particuliers aux doctorants (passés et présents) d’I-tésé : Bianka, Anton, Julie, Antoine,
Linh, Martin, Robin et Olfa pour les bons moments passés ensemble. Je terminerai par Patricia dont
l’aide quotidienne est précieuse et qui contribue au dynamisme et à la bonne humeur de l’équipe.
J’exprime mes remerciements à l’équipe du LGI pour leur sympathie et leur accueil, en particulier
Corinne, Sylvie et Delphine. Merci à Delphine pour son efficacité, notamment lors de la préparation
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de la conférence à Bergen. Merci aussi à tous les chercheurs avec qui j’ai pu échanger et partager de
bons moments, je pense en particulier à Wenhui.
Je remercie sincèrement Christine Coquelet Pascal qui m’a accueillie et encadrée en stage de fin
d’études au CEA Cadarache et qui m’a encouragée à poursuivre en thèse.
Un grand merci à Edith Roubaud et Jean-Claude Menny pour leurs accompagnements éclairés qui
m’ont permis de progresser et d’avancer plus sereinement.
Enfin, je remercie ma famille et mes amis pour leur soutien et leurs encouragements. Je remercie
particulièrement mes parents pour leur amour et leur écoute à toute épreuve. Je remercie du fond du
cœur Damien pour sa patience et son soutien sans faille au quotidien.

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SOMMAIRE
Chapitre I. Introduction générale : une transition française associant l’énergie nucléaire et
les énergies renouvelables variables dans un mix électrique bas-carbone diversifié .................... 11
Chapitre II. Interactions entre énergie nucléaire et énergies renouvelables variables : quelle
flexibilité permise par le parc nucléaire français ? .......................................................................... 63
Chapitre III. Interactions entre énergie nucléaire et énergies renouvelables variables : quels
coûts pour un parc nucléaire français flexible ? ............................................................................. 161
Chapitre IV. Adapter le parc électrique français aux énergies renouvelables variables grâce à
un parc nucléaire flexible via de nouveaux usages : une analyse technico-économique et
prospective de la coproduction d’hydrogène .................................................................................. 239
Chapitre V. Conclusion générale............................................................................................... 319
Publications et conférences ............................................................................................................... 329
Annexes .............................................................................................................................................. 333

Des tables des matières détaillées et des listes de figures et de tableaux seront présentées au début de
chaque chapitre.
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GLOSSAIRE
« Arrêts/démarrages » Modèle d’évaluation du nombre minimum d’arrêts/démarrages demandés aux
centrales d’un parc de production (développé dans le cadre de cette thèse)
C Coût fixe d’exploitation annuel de l’année t (€/an )
f
C Coût fixe d’exploitation annuel de l’année t par unité de puissance (€/kWe)
f,p
C Coût de l’intermittence (€)
int
C Coût du système résiduel (€)
res
C Coût du système total avant introduction des énergies renouvelables variables (€)
tot
C Coût variable d’exploitation de l’année t (€)
v
C Coût variable d’exploitation de l’année t par unité de puissance (€/kWe)
v,p
CO Dioxyde de carbone équivalent
2, eq.
Coût Coût annuel de production d’un parc nucléaire fonctionnant en mode flexible (€)
nuc, scénario
Coût Coût annuel de production d’un parc nucléaire fonctionnant en base (€)
nuc, base
Coût Coût de la flexibilité du nucléaire (€/MWhe)
nuc, flex
« Coût du nucléaire » Modèle d’évaluation des coûts annuels du parc nucléaire français dans la transition
jusqu’en 2050 (développé dans le cadre de cette thèse)
E Energie disponible pour la modulation de puissance (MWhe)
mod
E Energie produite par le système résiduel (MWhe)
res
E Energie produite par le système électrique total avant introduction des énergies
tot
renouvelables variables (MWhe)
C3P Méthode du coût comptable complet de production
CCE Méthode du coût courant économique
η Rendement du réacteur à P
Pmin, réacteur min, réacteur
η Rendement du réacteur à P
Pn, réacteur n, réacteur
hepp Heure equivalent pleine puissance par an (h)
H Hydrogène
2
« Coût de l’hydrogène » Modèle d’évaluation du coût de production d’une usine d’hydrogène en fonction
d’un profil de puissance électrique disponible (développé dans le cadre de cette
thèse)
I Coût d’investissement annualisé (€)
a
I Coût d’investissement annualisé par unité de puissance (€/kWe)
a,p
I Coût d’investissement par unité de puissance à la date de démarrage d’une
o
installation (€/kWe)
JEPP Jour équivalent pleine puissance (j)
kp Facteur de charge
kd Facteur de disponibilité
LCOE Coût actualisé de l’électricité (en anglais, levelised cost of electricity) (€/MWhe)
LCOH Coût actualisé de l’électricité du système hybride (en anglais, levelised cost of
electricity of the hybrid system) (€/MWhe)
LTECV Loi sur la Transition Energétique pour la Croissance Verte
P(t) Puissance produite à l’instant t (MWe)
P Puissance à fournir dans l’année pour qu’un type de centrales fonctionne à pleine
garantie
puissance pendant un nombre minimum d’hepp donné (MWe)
P Puissance électrique minimale du parc nucléaire (MWe)
min, parc
P Puissance électrique minimale d’un réacteur nucléaire en fonctionnement (MWe)
min, réacteur
P Puissance thermique nominale (MWth)
n, th
P Puissance électrique nominale (MWe)
n
P Puissance électrique nominale du parc nucléaire (MWe)
n, parc
P Puissance électrique nominale d’un réacteur nucléaire (MWe)
n, réacteur
P Puissance électrique nominale (ou installée) du parc nucléaire fonctionnant en base
nuc, base
(MWe)
P Puissance électrique nominale (ou installée) du parc nucléaire dont la capacité
nuc, scénario
installée est définie dans un scénario prospectif (MWe)
P Production électrique pendant l’année t (MWhe)
t
« P basse » Modèle permettant de caractériser les variations de puissances extrêmes à la baisse
nuc
demandées à un parc de production (développé dans le cadre de cette thèse)
« Profil Nuc. » Modèle permettant de construire un profil de puissance nucléaire annuel prospectif
(développé dans le cadre de cette thèse)
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r Taux d’actualisation
R&D Recherche et Développement
T Durée de vie d’une installation (an)
WEO World Energy Outlook

Institutions
ADEME Agence De l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie
AIE Agence Internationale de l’Energie
ANCRE Alliance Nationale de Coordination de la Recherche pour l’Energie
ANDRA Agence Nationale pour la gestion des Déchets RAdioactifs
AREVA NP Areva Nuclear Power
ASN Autorité de Sûreté Nucléaire
CEA Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives
CECA Communauté Européenne du Charbon et de l’Acier
COGEMA Compagnie Générale des Matières Nucléaires
DGEC Direction Générale de l’Energie et du Climat
EDF Electricité de France
Euratom Communauté Européenne de l’énergie atomique
GIEC Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat
HCTISN Haut Comité pour la Transparence et l’Information sur la Sécurité Nucléaire
NREL National Renewable Energy Laboratory
RTE Réseau de Transport d’Electricité
UE Union Européenne
UFE Union Française de l’Electricité

Technologies
CAES Stockage à air comprimé (en anglais, compressed air energy storage)
CCGT Centrale à gaz à cycle combiné (en anglais, combined cycle gaz turbine)
CCS Captage et stockage de carbone (en anglais : carbon capture and storage)
EPRTM Evolutionary power reactor
EPR-NM EPR Nouveau Modèle
HTSE / SOEC Electrolyse à haute température (en anglais, high temperature steam electrolysis ou
solid oxide electrolyser cell)
MOX Combustible Mixte d’OXyde d’uranium et de plutonium
OCGT Turbine à combustion au gaz (en anglais, open cycle gas turbine)
PEM Electrolyse à membrane échangeuse de protons (en anglais, proton exchange
membrane)
REP Réacteur à Eau Préssurisée
RNR Réacteurs à Neutrons Rapides
SMR Reformage du Méthane (en anglais, steam methane reforming)
STEP Stations de Transfert d’Energie par Pompage hydraulique
UOX Combustible d’oxyde d’uranium (en anglais, uranium oxide)

Unités
Boe Baril équivalent pétrole (en anglais, Barrel of oil equivalent)
MBtu Million British thermal Unit
MJ Mégajoule
Mtep Million de tonnes équivalent pétrole
(T, G, M, k)We (Téra, Giga, Méga, kilo)watt électrique
(T, G, M, k)Whe (Téra, Giga, Méga, kilo)wattheure électrique

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