Optimisation environnementale de la gestion des consommations électriques en temps réel

La production d'électricité a été responsable en 2013 de 42,5 % des émissions de gaz à effet de serre provenant des combustions d'énergies fossiles. Or, l'intégration d'une production moins carbonée tournée vers l'utilisation des énergies renouvelables intermittentes telles que le solaire et l'éolien demande une amélioration technique des réseaux électriques afin d'assurer stabilité, sécurité et efficacité de la distribution. Une des solutions les plus prometteuses pour assurer cette avancée repose sur l'utilisation des technologies d'information et de communication. À travers l'augmentation de la communication et du contrôle aux différents points du réseau, le consommateur devient acteur du marché d'électricité grâce à des programmes de gestion des consommations. Ces programmes se basent sur des principes de réduction et de décalage des consommations. Ils permettent d'augmenter la capacité d'adaptation du réseau en allégeant les demandes lorsque le niveau de production est élevé. Cependant la performance environnementale des programmes de gestion des consommations sur le court et le long terme reste à être démontrée. En effet, les indicateurs utilisés pour décider du décalage des consommations sont très majoritairement économiques et ne prennent pas en compte des aspects environnementaux. L'analyse de cycle de vie (ACV) est une approche systémique qui évalue les impacts potentiels d'un service sur toutes les phases de son cycle de vie. Appliquée à la consommation d'électricité, l'ACV doit relever de nombreux défis comme celui de dissocier en temps réel les impacts de la production de ceux de la consommation lesquels sont aussi liés aux importations et exportations. D'autres défis concernent l'étude en temps réel des conséquences environnementales des technologies affectées par des variations de consommations. L'objectif de ce mémoire est de développer des indicateurs environnementaux utilisant l'approche cycle de vie qui permettent l'optimisation des consommations énergétiques et l'évaluation environnementale des programmes de gestion des consommations. L'étude de cas de ce mémoire est la France entre 2012 et 2015. Les indicateurs développés reposent sur deux approches d'analyse de cycle de vie des consommations électriques. La première approche, appelée attributionnelle, étudie à chaque instant les équilibres des réseaux en considérant les importations et les exportations afin d'établir des coefficients d'impacts révélateurs de la qualité de l'énergie consommée. Les impacts de la production d'électricité des pays principaux exportateurs à la France, soit la Grande – Bretagne, l'Allemagne, la Belgique, l'Italie et l'Espagne, sont considérés avec une résolution temporelle de 30 minutes. Ainsi entre 2012 et 2014, les émissions moyennes de l'énergie consommée en France ont été 21,8 % plus émettrices de GES que les émissions moyennes de l'énergie produite en France. Ces augmentations sont respectivement de l'ordre de 3,6 %, 4,3 % et 1,7 % pour les catégories d'impacts de la santé humaine, la qualité des écosystèmes ou l'utilisation des ressources. Les solutions des stratégies de gestion des consommations utilisant les indicateurs de l'approche attributionnelle réduisent les impacts environnementaux des consommations flexibles jusqu'à 38,5 % pour la catégorie changement climatique. De plus, les indicateurs basés sur les émissions de GES et les impacts sur la santé humaine offrent les solutions avec les meilleurs compromis d'optimisation sur les autres catégories d'impacts. Finalement, les solutions visant la réduction du prix de l'électricité achetée ne sont que 11 % du temps les mêmes que celles visant la réduction de l'empreinte carbone des consommations. Ainsi, l'optimisation environnementale va à l'encontre d'une optimisation économique de l'électricité consommée. Incorporer le prix carbone, qui représente le coût d'1 kg de CO2, au prix d'achat de l'électricité permet d'améliorer l'efficacité environnementale sur la catégorie changement climatique des solutions économiques. La deuxième approche d'analyse de cycle de vie utilisée dans cette étude est appelée conséquentielle. Elle étudie les conséquences environnementales de consommations supplémentaires sur le réseau électrique. L'approche est développée dynamiquement en étudiant les technologies affectées à très court terme par des variations de consommations. Deux modèles sont développés à partir de données globales. Le premier considère que l'ensemble des technologies de production contrôlables par l'opérateur du réseau sont les conséquences des variations des consommations. Le deuxième modèle suppose que certaines technologies de production sont des imprévus et ne peuvent être considérées comme des technologies affectées. Entre 2012 et 2014, en France, en Italie et en Espagne l'hydroélectricité est la technologie qui a le plus adapté sa production aux variations des consommations. Les programmes de gestion des consommations utilisant les indicateurs de l'approche conséquentielle permettent de réduire jusqu'à 98 % des émissions de GES associées aux technologies affectées par des consommations. Cependant, les deux modèles utilisant l'approche conséquentielle offrent des solutions différentes. Ceci montre que l'utilisation de l'approche conséquentielle dynamique au niveau global souffre d'un manque de considération des conséquences technologiques locales des consommations. Pour devenir performantes écologiquement, les stratégies de gestion des consommations doivent travailler avec les opérateurs des réseaux et intégrer les conséquences économiques et environnementales des stratégies sur le long terme. Ce travail met en exergue les rôles des approches conséquentielle et attributionnelle dans l'analyse de cycle de vie. Une approche couplant les conséquences à long terme de l'implémentation d'un programme utilisant des données dynamiques moyennées serait révélatrice des performances environnementales des programmes de gestion des consommations.