2021

Thèse

BOURAMDANE Ayat-Allah

Scénarios d'Intégration de l'Énergie Solaire à Grande Échelle au Maroc: Impact de Stockage, Coût, Diversification et Changement Climatique.

Directeurs.rices de thèses : Drobinski P. & Tantet A.

Date 2021-10-20
Diplôme Université Paris-Saclay

Fiche

Composition du jury

M. Olivier BOUCHER (Rapporteur) Directeur de recherche CNRS, IPSL
M. Philippe QUIRION (Rapporteur) Directeur de recherche CNRS, CIRED
M. Riwal PLOUGONVEN (Examinateur) Professeur Ecole Polytechnique, LMD
Mme Anna CRETI (Examinatrice) Professeur Paris Dauphine, Chaire Economie du Climat
Mme Hiba OMRANI (Examinatrice) Ingénieur, EDF
M. Mohamed RHAIHAT (Examinateur) Chef de Projet OCP, UM6P et Présentant du financeur MED-OCEAN
M. Philippe DROBINSKI (Directeur de thèse) Directeur de recherche CNRS, LMD
M. Alexis TANTET (Co-Encadrant) Professeur Assistant Ecole Polytechnique, LMD

Résumé

Il semble qu’à l’heure actuelle, de nombreux pays ont tendance à privilégier le solaire thermodynamique (CSP) combiné avec son système de stockage thermique (TES) par rapport au Photovoltaïque (PV) car il peut améliorer la résilience de leur système énergétique. Cependant, leur interaction dans un mix optimal n’a pas fait l’objet de recherches détaillées et aucune étude n’a été menée pour confirmer cette perception dans un climat futur. Par exemple, si le critère de comparaison n’est que l’argent, PV occupe-t-il une position de leader ? Mais il n’est pas juste de justifier ces deux technologies simplement par le coût mais aussi par la corrélation de la production avec la pointe de consommation électrique. Cela suscite une autre question: PV ou son homologue CSP ? De plus, si la batterie (BES) est couplée à une installation PV à grande échelle, cela signifie-t-il que CSP-TES sera éventuellement remplacé par le PV-BES ? Pas sûr, car ces systèmes à caractère rudimentaire ne sont pas encore déployés dans des centrales PV connectées au réseau, si l’on exclut les micro-réseaux.
Cette thèse discute un ensemble de scénarios d’intégration solaire à grande échelle avec l’éolien dans un mix prospectif marocain. Notre objectif est non seulement de maximiser la production renouvelable à un coût donné, mais aussi de réduire sa variabilité. Cette approche de Moyenne-Variance est implémentée dans le modèle E4CLIM, auquel nous avons ajouté une contrainte de coût total maximal; et proposons une méthode de calcul de coût de chaque technologie en tenant en compte leur dépendance à la taille du stockage et aux heures de production, qui sont conçus dans les modules CSP-TES et PV-BES ajoutés. Nous présentons quelques ratios qui contribuent à déterminer quelle région une capacité donnée sera affectée sous différents régimes de pénétration; et proposons des diagnostiques pour évaluer quelle technologie remplace le mieux la production conventionnelle à coût marginal élevé. La première étude répond aux questions associées au PV/CSP/CSP-TES et examine comment leur intégration influencerait les bénéfices des complémentarités spatio-temporelles. La deuxième étude détermine les conditions dans lesquelles les avantages que peut apporter le CSP-TES dépassent ceux du PV-BES afin de faire partie du mix jusqu’à ce qu’une condition plus avantageuse empêche son intégration. Nous constatons que contrairement à l’intégration de CSP/CSP-TES avec PV, l’ajout de BES au PV révèle une sensibilité plus élevée des mix aux technologies solaires non seulement à faibles pénétrations en raison de la variance réduite par le stockage mais aussi à des pénétrations élevées en raison des différences dans la capacité de stockage et de coût. Enfin, la troisième étude évalue l’impact du changement climatique sur les ressources et leurs implications sur les facteurs de charge et la demande d’ici la fin du 21ème siècle par rapport au forçage historique observé. Nous concluons qu’il est peu probable que les changements futurs projetés avec les modèles climatiques aient un effet perceptible sur les mix optimaux à faibles pénétrations. Il y a, cependant, quelques indications d’un impact potentiel à fortes pénétrations qui sont insignifiants devant l’effet de coût sur l’allocation des capacités, mais le message clé est que les résultats sont incertains. Nous discutons les sources d’incertitude et les principales options pour avoir des mix renouvelables résilients au climat.

It appears that at the moment, many countries tend to favor Concentrated Solar Power (CSP) combined with its Thermal Energy Storage (TES) system over Photovoltaic (PV) as it can enhance the resilience of their energy system. However, their interplay in optimal mixes has not yet been addressed deeply enough by any study and no study has been conducted to confirm this perception in future warming climate. For instance, if the judging criteria is only money, does PV stand at a leading position? but, it is not fairly to justify those two technologies merely by cost but also by the correlation of production with peak consumption. Here comes another question: PV or its counterpart CSP? Moreover, if PV is coupled with BES, does this mean CSP-TES will eventually be replaced by PV-BES? Not sure, because these systems are in the early stages of being defined as they are not yet deployed in large-scale PV plants, if we exclude micro-grids. This thesis discusses a set of scenarios of large-scale solar integration with wind in optimal Moroccan prospective mix. We take as objective not only to maximize the renewable production at a given cost, but also to reduce its variability. This Mean-Variance approach is implemented in the E4CLIM model, in which we add a maximum-total cost constraint; and propose a method to define the rental cost of each technology taking their dependence on the storage size and hours of production into account, which are designed in the added CSP-TES and PV-BES modules. We present some ratios that contribute to determine what region a given capacity will be assigned to are under penetration regimes; and propose some load diagnostics to evaluate which technology displaces more expensive fossil fuel generators.
The first study addresses the questions associated with PV/CSP/CSP-TES and examines how their integration would influence the benefits from time-space complementarity. The second study determines the conditions under which CSP-TES can provide an advantage against PV-BES so as to be part of the mix until a more advantageous condition prevents its integration. We find that contrary to the integration of CSP/CSP-TES with PV, the addition of BES to PV reveals a higher sensitivity of the mixes to solar technologies not only at low penetrations due to the reduced variance but also at high penetrations due to the differences in the storage capacity and cost. Finally, the third study assesses the impact of climate change on the resources and their implications on capacity factors and demand by the end-21st century relative to the historical observed forcing. We conclude that the future changes projected with climate models are unlikely to have a discernible effect on optimal mixes at low penetrations. There are, however, some indications of a potential impact at high penetrations which are trivial with the cost effect on capacity pathways, but a key message is that the results are considered to be highly uncertain. We discuss the sources of uncertainty and the main options for climate-resilient renewable mixes.

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