Analyse et modélisation des impacts du développement des énergies renouvelables intermittentes sur le système électrique Français : Etude du potentiel du stockage de l’électricité, et de la complémentarité avec la chaleur.

France aims to massively develop intermittent renewable energies --- wind and photovoltaic --- while reducing the share of dispatchable sources, in this case, nuclear power. This paradigm shift implies rethinking the management of energy systems. Indeed, renewables' variable nature generates a need for flexibility on different time-scales, from day to year. As dispatchable means' flexibility can no longer be relied on, this thesis questions the potential of other means to meet this need: electricity storage, oversized production and heating networks.Faced with the need for a systemic approach, we developed simple models to enhance the understanding of the interdependencies between production and storage. The optimized indicators are economic (€), but also environmental: embodied energy and greenhouse gas emissions over the entire life cycle. The performances of the systems considered are those of today and their development is limited by resource and space availability. Without going into the precise details of how each technology works, this physical approach points out optimal operation areas for the different technologies and the difficult cases for which solutions are still lacking.First, the need for flexibility generated for different intermittency penetration rates is quantified for several time scales. It enables us to compare the potential of different electricity storage technologies --- at each of these scales --- to bring production and consumption in phase. The results show that long time-scales --- typically seasonal storage --- require the largest investments for low profitability. The competition mechanisms between several storages and oversizing are then analyzed. It shows how the optimum solutions use complementary flexibility means. The study then addresses the potential of coupling between the electrical grid and the heating grid as a means of flexibility, particularly for the management of long-term needs.This thesis work focuses on the French scale, although the methodology is applicable elsewhere.La France affiche une volonté de développer massivement les énergies renouvelables intermittentes – éolien et photovoltaïque - tout en diminuant la part des sources pilotables, ici le nucléaire. Ce changement de paradigme implique de repenser la gestion des systèmes énergétiques. En effet, l’intermittence des renouvelables génère un besoin de flexibilité à différentes échelles de temps, de la journée à l’année. Ne pouvant plus se reposer sur la flexibilité des moyens pilotables, cette thèse questionne le potentiel d’autres moyens pour y répondre : stockage d’électricité, surdimensionnement de la production et réseaux de chaleur.Face à la nécessité d’une approche système, des modèles simples ont été développés pour affiner la compréhension des interdépendances entre production et stockages. Les indicateurs optimisés sont économiques (€) mais aussi environnementaux : énergie grise et émission de gaz à effet de serre sur l’ensemble du cycle de vie. Les performances des systèmes considérés sont celles d’aujourd’hui et leur développement est limité par les ressources et l’espace disponibles. Sans rentrer dans le détail précis du fonctionnement de chaque technologie, cette approche physique donne les domaines de fonctionnement optimaux des différentes technologies, et les cas difficiles pour lesquels les solutions manquent encore.Dans un premier temps, le besoin en flexibilité généré pourdifférents taux de pénétration de l’intermittence est quantifié pour plusieurs échelles de temps. Cela permet de comparer le potentiel de différentes technologies de stockage d’électricité à chacune de ces échelles pour mettre en phase production et consommation. Les résultats montrent que les temps longs –-- typiquement le stockage saisonnier –-- sont ceux qui demandent les plus gros investissements pour une faible rentabilité. Ensuite, les mécanismes de compétition entre plusieurs stockages et le surdimensionnement sont analysés pour montrer dans quel cas les optimums utilisent des solutions complémentaires. L’étude aborde alors le potentiel du couplage entre le réseau électrique et le réseau de chaleur comme moyen de flexibilité, notamment pour la gestion des besoins longs termes.Ce travail de thèse se focalise à l’échelle Française, bien que la méthodologie soit applicable ailleurs