Optimization and risk management for energy flexibility development : application to drinking water systems

Dans un contexte de croissance démographique dans lequel certaines ressources naturelles sont de plus en plus limitées, une gestion optimisée et conjointe des réseaux publics de l’eau et de l’électricité s’impose. L’ouverture progressive des marchés de l’électricité à la concurrence et les changements de réglementation dans plusieurs pays ont contribué au développement des mécanismes de la flexibilité de la demande, permettant d’impliquer directement les consommateurs dans la gestion de l’équilibre offre-demande du réseau électrique. Les systèmes d’eau potable, étant de grands consommateurs d’électricité, disposent d’une flexibilité grâce à la présence d’ouvrages de stockage d’eau (bâches et réservoirs) et de pompes à vitesse variable. Cette flexibilité, souvent exploitée uniquement à des fins de sécurisation des demandes en eau, peut être valorisée pour permettre une meilleure gestion de l’équilibre du réseau électrique. L’objectif de cette thèse est l’évaluation des valeurs économiques et écologiques relatives à l’intégration de la flexibilité des systèmes d’eau potable dans la gestion opérationnelle du système électrique français. Une étude de l’architecture des marchés de l’électricité en France est d’abord menée pour identifier les mécanismes de flexibilité de la demande les plus adaptés aux contraintes d’exploitation des systèmes d’eau. Des modèles mathématiques d’optimisation sont ensuite proposés et résolus à travers certaines heuristiques, en intégrant les incertitudes relatives aux consommations d’eau, aux prix des marchés ainsi qu’à la disponibilité des équipements de pompage. Les résultats numériques, discutés en se basant sur trois systèmes d’eau potable réels en France, intègrent les aspects économiques (en considérant les risques associés), opérationnels et écologiques. Des réductions importantes des coûts d’exploitation des systèmes d’eau sont estimées à travers la valorisation de l’énergie non consommée pendant les moments de pointe sur le marché spot de l’électricité. En parallèle, la considération des incertitudes permet de sécuriser l’opération des systèmes d’eau en temps réel, et de maîtriser les risques économiques relatifs à l’équilibrage du réseau électrique. De plus, des réductions importantes des émissions de CO2, estimées à environ 400 tonnes par jour en France, peuvent être réalisées en réduisant les volumes d’électricité issus des sources fossiles.In a context of demographic growth in which natural resources are more and more limited, optimized management of water and power networks is required. Changes in electricity markets regulation in several countries have recently enabled effective integration of Demand Response mechanisms in power systems, making it possible to involve electricity consumers in the real-time balance of the power system. Through its flexible components (variable-speed pumps, tanks), drinking water systems, which are huge electricity consumers, are suitable candidates for energy-efficient Demand Response mechanisms. However, these systems are often managed independently of power system operation, for both economic and operational reasons. In this thesis, the objective is the evaluation of the economic and the ecological values related to the integration of drinking water systems flexibility into power system operation through french demand response mechanisms. An analysis of the architecture of french electricity markets is first conducted, allowing to target the most suitable demand response mechanisms considering water systems operating constraints. Some mathematical models to optimize water systems flexibility are then proposed and solved through original heuristics, integrating uncertainties about water demands, market prices and pumping stations availability. Numerical results, which are discussed using three real water systems in France, integrate the economic aspects inclunding risks, operational and ecological aspects. Significant reductions in water systems operating costs are estimated through the optimization of demand response power bids on the French spot power market during peak times. In parallel, uncertainties consideration secures the operation of water systems in real time, and makes it possible to manage economic risks related to the power grid balancing. In addition, significant savings in CO2 emissions, estimated to around 400 tons per day in France, can be achieved by reducing electricity production from fossil sources