Agnès FRANCOIS : "Modélisation et optimisation de réseaux électriques insulaires à moyen et long terme : étude de l'impact de l'intégration de l'hydrogène à La Réunion – application aux mobilités et au stockage réseau"

Résumé : Avec une situation énergétique qui leur est propre, les territoires insulaires ambitionnent de réaliser une transition vers l’autonomie énergétique. Parmi les moyens pouvant permettre à un territoire de réduire ses importations d’énergie, on trouve le développement de nouveaux vecteurs énergétiques, comme l’hydrogène. Que ce soit comme carburant pour la mobilité ou comme moyen de stockage de l’électricité, celui-ci peut présenter des opportunités pour le développement de filières technologiques et énergétiques locales. L’objectif de la thèse est ainsi d’étudier un réseau électrique insulaire tendant vers l’autonomie énergétique, et l’impact sur celui-ci de l’intégration de l’hydrogène. Les recherches effectuées sont appliquées au cas d'étude de l'île de La Réunion, territoire dépendant énergétiquement à 88 % en 2021.
La première étape du travail a permis d’étudier le réseau électrique actuel et de rassembler les données le décrivant afin de pouvoir le modéliser, le simuler et l'optimiser par la suite. Après une étude de la littérature, des scénarios de capacité installée de production d’électricité aux horizons 2030 et 2050 ont été proposés. Ces scénarios ont ensuite été testés au sein du réseau électrique modélisé, afin de vérifier leur capacité à satisfaire différents scénarios de consommation électrique. Cette capacité a été étudiée à l’aide d’une optimisation de type programmation linéaire avec l’outil PyPSA, adapté au cas d’étude avec la modélisation du réseau de transport sous haute tension de l’électricité. Via une minimisation des coûts de fonctionnement du réseau, ainsi que d’investissement dans le renforcement des lignes et dans l’installation de batteries, les impacts techniques, économiques et environnementaux de chaque scénario ont été évalués et comparés.
Une fois ce travail effectué, la transition du secteur de la mobilité a été étudiée. Notamment, l'usage de l'hydrogène comme carburant dans des véhicules ou comme réactif pour la production de carburants alternatifs pour les secteurs aérien et maritime a été modélisé. Le dimensionnement des différentes technologies nécessaires (électrolyseurs, stockages hydrogène) ainsi que l'impact global sur le réseau électrique ont été évalués. Pour cela, de nouvelles contraintes de satisfaction de la demande en hydrogène ont été rajoutées au problème d’optimisation initial, ainsi qu’un terme dans la fonction objectif sur la minimisation des coûts d’investissement des technologies hydrogène. Afin d’évaluer la pertinence de l’hydrogène pour le cas d’étude, une comparaison technique, économique et environnementale entre véhicules électriques à batterie et avec de l’hydrogène a été effectuée pour un réseau d’autocars. Les résultats obtenus montrent une utilisation de l'hydrogène limitée par rapport aux solutions électriques à batterie, bien que cela dépende des évolutions technologiques futures, qui restent incertaines. Si le secteur maritime pourrait entamer une transition renouvelable localement grâce à de l’e-ammoniac, plus de moyens devront être mis en place pour décarboner le secteur aérien à partie d’e-kérosène.
L'hydrogène comme moyen de stockage de l'électricité du réseau sur de longues durées a finalement été intégré au modèle, et différents critères économiques, environnementaux ou encore géographiques ont été analysés via la mise en place d’une optimisation multi-objectif. Dans le cas d’un optimal économique, le besoin en stockage longue durée est limité et n'apparaît que dans des conditions météorologiques bien particulières. Pour identifier les solutions de stockage les plus appropriées, des recherches supplémentaires seront cependant nécessaires.
Globalement, l’autonomie énergétique du territoire devra passer par une réduction de la consommation et un développement maximal des ressources locales.

Composition du jury:

Robin ROCHE, Professeur des universités, Université de Franche Comté, Directeur de thèse

Michel BENNE, Professeur des universités, Université de La Réunion, CoDirecteur de thèse

Dominique GRONDIN, Maître de conférences, Université de La Réunion, Co-encadrant de thèse

Nathalie KROICHVILI, Professeure des universités, Université de technologie de Belfort Montbéliard, Examinateur

Robin GIRARD, Directeur de recherche, Mines Paris – PSL, Examinateur

Xavier ROBOAM, Directeur de recherche, Institut National Polytechnique de Toulouse, Examinateur

Marie-Cécile ALVAREZ-HERAULT, Maîtresse de conférences, Institut National Polytechnique de Grenoble, Rapporteur

Catherine AZZARO-PANTEL, Professeure des universités, Université de Toulouse, Rapporteur

Localisation : Bâtiment I UTBM - Campus de Belfort Techn’Hom 13 rue Thierry Mieg 90000 BELFORT - salle E107