Long-term planning using a multi-scale approach: the issue of power system dynamics
Modélisation prospective et analyse spatio-temporelle : intégration de la dynamique du réseau électrique
Résumé
A reliable power supply is crucial for operating power systems. Defined as the ability of power systems to lock back into a steady-state condition after sudden disturbance (e.g. load or production fluctuations), reliability is usually ensured through appropriate management of voltage and frequency and involves events whose time scales range from a few milliseconds to a few hours. However, energy planning models, which focus on power systems' long-term development (typically several decades), largely ignore reliability requirements and may consequently provide unrealistic options in this area. Yet this aspect is of tremendous importance, especially when high shares of renewable energy sources, and in particular intermittent energy sources, are expected in electricity production and may threaten supply reliability. To overcome this drawback, we propose assessing the reliability of supply when evaluating power systems' long-term development. We achieve a global description of power systems relying on variational principles deduced from thermodynamics. The approach provides two reliability indicators related to the dynamic properties of the whole system, namely the magnetic and kinetic reserves available in the system, thus quantifying in an original way the reliability of power supply for a given production mix. The relevance of the indicators is demonstrated through a prospective analysis of Reunion Island, which is targeting an electricity production mix with 100% renewable energy sources by 2030. We use a TIMES model to provide the electricity sector's responses to this scenario and to different assumptions. Results show that the levels of magnetic and kinetic reserves decrease with the integration of renewable energy sources, and that the levels of the reserves are critically low during the day, when intermittent energy sources can represent up to two thirds of the electricity production. This work thereby illustrates how we can use the two indicators to debate the most appropriate conditions for ensuring the reliability of supply, and makes it possible to choose between the targets of decarbonizing the electricity mix and maintaining an expected level of reliability.
La fiabilité de fourniture est une caractéristique essentielle des systèmes électriques : elle évalue leur capacité à se prémunir d'incidents d'exploitation et repose sur leurs réserves dynamiques, caractérisées par le plan de tension et la fréquence et dont les temps caractéristiques varient entre quelques millisecondes et quelques heures. Or, les exercices de prospective long terme, s'intéressant à l'évolution des systèmes énergétiques sur plusieurs décennies, ne permettent pas d'apprécier cette fiabilité de fourniture et les systèmes électriques proposés sur l'horizon prospectif peuvent alors de ne plus la garantir. Ceci d'autant plus que l'intégration massive d'énergies renouvelables pourrait se faire au détriment de la fiabilité, du fait de la complexité induite par la gestion de l'intermittence. L'enjeu de notre étude est de rendre compatible l'évaluation de la fiabilité avec la dynamique temporelle associée aux exercices prospectifs de long terme. Nous proposons une représentation agrégée des systèmes électriques élaborée à travers une description thermodynamique de l'électromagnétisme. Cette approche nous permet d'établir deux indicateurs de fiabilité relatifs aux réserves dynamiques du système électrique et donc de quantifier de façon originale le niveau de fiabilité d'un système électrique en fonction du mix de production qui lui est associé. L'intérêt des indicateurs est démontré pour l'île de La Réunion où l'étude de la fiabilité du système électrique est réalisée sur les résultats issus de l'exercice de prospective long terme avec le modèle TIMES. Ce cas d'étude illustre particulièrement bien notre problématique puisque les acteurs publics de l'île se sont fixé pour objectif un mix de la production d'électricité en 2030 issu de 100% d'énergies renouvelables. L'analyse de ce scénario, et de quelques variantes, montre que les niveaux des réserves dynamiques diminuent avec l'intégration massive d'énergies renouvelables et qu'ils sont particulièrement préoccupants pendant la journée, lorsque la production intermittente est importante. On illustre ainsi comment, grâce à la mise en œuvre de nos indicateurs, il est désormais possible de discuter les conditions dans lesquelles la fiabilité continuerait à être assurée et à quel niveau, ce qui permet d'arbitrer entre l'ambition de décarbonation du mix électrique et la qualité de fourniture attendue.
Domaines
Energie électrique
Loading...