Smart grids et efficacité des systèmes électriques : Instruments de régulation et impacts de la gestion de la demande

Smart grids et efficacité des systèmes électriques : Instruments de régulation et impacts de la gestion de la demande / Claire Bergaentzlé, équipe Edden de PACTE. Thèse de doctorat en sciences économiques, école doctorale de sciences économiques de l’université de Grenoble Alpes soutenue le 23 juin 2015 (Mention très honorable avec les félicitations du jury)

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Jury :

- Monsieur Cédric Clastres, Maître de conférences HDR, Université Pierre Mendès France (directeur de thèse)
- Monsieur Patrice Geoffron, Professeur des universités, Université Paris Dauphine (rapporteur)
- Madame Carine Staropoli,Maître de conférences HDR, Université Paris 1 (rapporteur)
- Monsieur Jacques Percebois, Professeur émérite, Université de Montpellier 1
- Monsieur Patrick Criqui, Directeur de recherche CNRS, Université Pierre Mendès France

Résumé de la thèse :

L’architecture physique des réseaux électriques et les structures organisationnelles des industries électriques survenues à la suite des réformes ont principalement été conçues en fonction des caractéristiques relatives aux infrastructures de transport et aux parcs de production. Or, les nouveaux enjeux de transition énergétique, associés aux progrès réalisés dans les équipements de communication et d’automatisation, plaident pour une plus grande participation des activités décentralisées de production et des consommateurs finals. Nous constatons que les systèmes électriques sont à l’aube d’évolutions majeures qui partagent une double caractéristique. La première et que ces évolutions nécessiteront des apports en capitaux considérables pour adapter et moderniser les réseaux de distribution. La seconde est que l’activation de l’aval de la chaîne électrique libère des gains d’efficacité économique actuellement inexploités, mais est également porteuse de contraintes nouvelles.

Partant de ce constat, l’objectif de cette thèse est double. Il s’agit dans un premier temps de proposer une analyse théorique des instruments de régulation qui encadrent et orientent les dépenses des opérateurs réseau. Nous cherchons en nous appuyant sur la littérature à caractériser les outils de régulation les mieux adaptés à l’investissement en smart technologies. Puisqu’il est nécessaire de confronter l’analyse théorique aux faits, nous entreprenons de recenser les gains clés d’efficacité économique escomptés de la généralisation des smart grids. Nous illustrons chacun de ces gains par une étude empirique qui nous permet de comparer les résultats issus de notre analyse théorique aux schémas de régulation existants et de formuler un certain nombre de recommandations.

Le second objectif de la thèse se concentre sur les impacts de la diffusion de programmes de la gestion de la demande. Le raisonnement adopté s’articule autour de deux constats. D’importants bénéfices sont attendus des réductions substantielles des pointes de demande, réductions qui se traduisent par de moindres opportunités de profit pour les producteurs. Il s’agira de réaliser une estimation des gains et pertes que l’on peut attendre de la gestion de la demande. Pour cela, nous développons et utilisons un modèle d’optimisation dans lequel nous intégrons plusieurs pays interconnectés dotés de parcs de production différenciés.

La thèse montre que les cadres de régulation dominants actuellement sont limités dans leur portée incitative pour favoriser un investissement efficace dans la technologie, ce qui est susceptible de retarder son introduction. La quantification des impacts de la gestion de la demande montre quant à elle que des efficacités significatives peuvent être activées via la généralisation de ces mesures. Toutefois, elles posent des problèmes nouveaux dans la rémunération de l’existant, l’adéquation future des capacités, et souligne l’antagonisme potentiel entre perte de revenus pour les unités de pointe les plus réactives et développement des énergies bas carbone.

De toute évidence, les interrogations soulevées par le développement des smart grids nécessitent que soit mené un débat politique éclairé puisque l’industrie électrique est indispensable à nos sociétés. Parmi le nombre considérable d’éléments à aborder, arriveront en bonne place les questions relatives au financement des projets d’investissement et à l’inclusion des nouvelles sources de flexibilité induites par l’adoption de la technologie dans les marchés électriques libéralisés.

Mots-clés : smart grids, systèmes électriques, régulation, gestion de la demande, efficacité économique.

Abstract :

The physical architecture of electricity grids and the organizational structure of power systems implemented after the reforms have traditionally be achieved according to the characteristics of the transmission infrastructures and power mixes. However, the new challenges related to energy transition favor a greater participation of decentralized generation and final consumers to system exploitation and competitive markets. This latter participation is made possible thanks to recent innovations in the fields of communication and remote control technologies.

Significant evolutions are expected in power industries that share common characteristics. First, these evolutions suppose massive capital investments to modernize and adapt current power distribution grids. Second, it is expected the activation of distribution grids and final consumers will unleash substantial unexploited economic efficiency gains as well as impose new constraints.

Taking these simple facts as a starting point, the objective of the thesis is twofold. In the first place, we provide a theoretical analysis of the regulatory instruments that monitor the system operators’ expenses. Relying on the literature, we aim at characterizing what regulatory tools and incitation are suitable for investing in smart grids technologies. Since it is necessary to compare theoretical formulation to facts, we use an empirical approach that allows us to designate key benefits pursued by the development of smart grids and to compare our theoretical results with practical regulatory applications. Our findings eventually allow us to formulate recommendations.

In the second place, the thesis focuses on the impacts of demand-side management during peak periods. We structure our approach around two general observations. Large benefits should be generated in lowering substantially peak demand. However, such situation also creates losses of profit for generators. We provide an estimation of efficiency gains and revenue losses induced by peak shedding. To this end, we develop and use a linear optimization model and expand our analysis to interconnected countries endowed with differentiated generation means.

The thesis shows dominant regulatory frameworks are unsuited to provide the necessary sets of incentive to efficiently develop smart technologies. This can cause delays in their integration to power grids. The quantitative evaluation of the impacts generated by demandside management shows significant efficiency gains are achievable through final consumers’ flexibility. However, such measures create new discrepancies regarding installed capacities profitability, future capacity adequacy, and highlight potential antagonism between missing money for flexible peak capacities and the development of low carbon energies.

It is clear the issues raised by the development of smart grids call for informed public debate as power industries are essential to our societies. Among the considerable amount of elements to discuss, issues relative to financing the investment projects and the inclusion of the new sources of flexibility induced by the technology in competitive markets will be of priority.

Keywords : Smart grids, Power systems, Regulation, Demand-side management, Economic efficiency


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