Laboratoire de Systèmes Energétiques Planification ......2.5 Développement du secteur...

Dr Edgard Gnansounou

Laboratoire de Systèmes EnergétiquesLaboratoire de Systèmes EnergétiquesLaboratoire de Systèmes Energétiques

1 -

Planification intégrée des infrastructures d’énergie

Introduction générale

Dr Edgard Gnansounou Laboratoire de Systèmes EnergétiquesENAC / EPFL



2 -

Sommaire

Objectifs du coursContenu du cours

- Méthodes d’analyse de la demande d’énergie- Méthodes d’analyse du système d’offre- Méthodes d’analyse d’un système d’offre sectorielle: cas de l’électricité

Méthodes d’enseignementExemples de contextes d’application des connaissances acquisesCas particulier d’un problème d’adéquation à long terme entre la demande et l’offre d’électricitéIllustration par un exemple d’étudeExercice de compréhension



3 -

Objectifs du cours

Analyser la consommation et l’évolution de la demande d’énergie

Proposer et évaluer des variantes d’offre et d’approvisionnement en énergie en tenant compte:

- des aspects technico-économiques- sociétaux- environnementaux



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Contenu du coursMéthodes d’analyse de la consommation et de la demande d’énergie

- Analyse de la consommation- Mise en évidence des principaux déterminants/indicateurs- Évaluation des évolutions à court, moyen et long terme- Cas particulier de l’énergie électrique

Méthodes d’analyse du système d’offre d’énergie- Analyse quantitative des chaînes de transformation d’énergie- Conception et gestion de l’offre sectorielle (gaz, électricité, pétrole, bois,

…)- Offre globale: substitution de chaînes de production d’énergie.



5 -

Contenu du cours

Méthodes d’analyse d’un système d’offre sectorielle: cas de l’électricité

- Organisation du secteur de l’électricité- Évolution à moyen et long terme de la demande d’électricité- Génération de variantes d’offre- Évaluation, comparaison et choix des meilleures variantes- Ouverture du marché de l’électricité à la concurrence; modèles de

restructuration- Gestion des risques dans un marché de l’électricité ouvert à la concurrence.



6 -

Méthode d’enseignement

Cours ex cathedra

Une étude de cas à réaliser par groupe

Des exercices d’application

Des exercices de compréhension

Contrôle des connaissances- Examen autour de l’étude de cas



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Exemples de contextes d’application des connaissances acquises

Analyse du marché à moyen et long terme d’une forme d’énergie (électricité, gaz, …) dans un pays, une région, un canton, une commune

Analyse des possibilités pour un fournisseur d’énergie (électricité, gaz, pétrole, chaleur à distance, …) de satisfaire ses clients à moyen et long terme

Analyse des possibilités d’approvisionnement en énergie d’une entreprise industrielle



8 -

Cas particulier d’un problème d’adéquation à long terme entre la demande et l’offre d’électricité

Generation(Power Plants)

TransmissionNetworks(Grid)

LocalDistributionSystem

FinalCustomers(Retail Sales)



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Exemple: Ajustement à moyen et long terme entre la demande et l’offre d’électricité dans un pays

Table de matière type d’une étude utilisant les connaissances transmises dans ce cours

1. Introduction1.1 Contexte de l’étude1.2 Objectifs et activités prévues1.3 Cadre institutionnel de la planification énergétique dans le pays

1.3.1 Les institutions gouvernementales1.3.2 Les entreprises du secteur énergétique

1.4 Institutions impliquées dans l’étude1.5 Brève description des méthodologies à utiliser

1.5.1 Méthode d’analyse de la demande d’énergie1.5.2 Méthode d’évaluation de l’adéquation entre la demande

et l’offre d’électricité



10 -

2. Situation passée et présente du pays2.1 Géographie et climat2.2 Contexte macroéconomique2.3 Consommation d’énergie primaire et ressources énergétiques

2.3.1 Consommation d’énergie primaire2.3.2 Ressources énergétiques

Pétrole et gaz naturelLigniteHydroélectricitéBiomasseEolienneSolaire…

Table de matière type (suite)



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2.4 Consommation d’énergie distribuée par secteur

2.4.1 Agriculture2.4.2 Secteur minier2.4.3 Construction2.4.4 Industrie manufacturière2.4.5 Transport2.4.6 Ménages2.4.7 Services




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2.5 Développement du secteur électrique

2.5.1 Demande d’électricité dans le passé2.5.2 Installations de production d’électricité existantes et autres

composantes de l’offre d’électricité2.5.3 Plans existants pour le développement de l’offre d’électricité

2.6 Les plans et objectifs socio-économiques du pays




13 -

3. Définition de scénarios de développement3.1 Cadre général des scénarios3.2 Reconstitution de l’année de référence de l’étude

3.2.1 PIB et démographie pour l’année de référence3.2.2 Consommation d’énergie distribuée par secteur pour

l’année de référence 3.2.3 Vérification de la cohérence des données de l’année de

référence




14 -

3.3 Base des scénarios3.3.1 Politique des intervenants

3.3.1.1 Politique démographique 3.3.1.2 Croissance et mode de croissance macro-

économique3.3.1.3 Politique industrielle3.3.1.4 Politique des transports3.3.1.5 Politique de développement du secteur des services




15 -

3.3 Base des scénarios3.3.2 Hypothèses de base

3.3.2.1 Population 3.3.2.2 Croissance économique3.3.2.3 Commerce extérieur3.3.2.4 Développement industriel3.3.2.5 Développement du secteur des transports3.3.2.6 Développement du secteur des services3.3.2.7 Équipement des ménages




16 -

3.3 Base des scénarios

3.3.4 Grille pour la description de chaque scénario3.3.4.1 Croissance économique3.3.4.2 Intensité énergétique spécifique dans l’industrie3.3.4.3 Substitution énergétique dans l’industrie3.3.4.4 Intensité énergétique spécifique dans le secteur des

transports3.3.4.5 Substitution énergétique dans le secteur des

transports3.3.4.6 Intensité énergétique spécifique dans le secteur des

services3.3.4.7 Substitution énergétique dans le secteur des

services




17 -

3.3 Base des scénarios

3.3.4 Grille pour la description de chaque scénario3.3.4.8 Évolution des conditions de vie et équipement des

ménages3.3.4.9 Consommation énergétique spécifique des ménages3.3.4.10 Substitution énergétique dans le secteur résidentiel




18 -


4. Perspectives d’évolution de la demande d’énergie

4.1 Demande totale d’énergie distribuée et demande d’énergie distribuée par habitant4.1.1 Prévision de la demande d’énergie distribuée4.1.2 Tendances futures d’évolution de la demande d’énergie

distribuée et du PIB par habitant



19 -



4.2 Analyse et comparaison de la demande d’énergie distribuée par secteur4.2.1 Secteur industriel4.2.2 Secteur des transports4.2.3 Secteur des services4.2.4 Secteur résidentiel



20 -



4.3 Analyse de la demande d’énergie distribuée par agent énergétique4.3.1 Energie traditionnelle (circuit non marchand ou circuit

marchand informel)4.3.2 Agents énergétiques dans le circuit marchand4.3.3 Comparaison des résultats des différents scénarios

4.4 Comparaison des résultats avec ceux d’autres travaux4.5 Analyse détaillée de la demande d’électricité et comparaison

avec les résultats d’études antérieurs4.6 Conclusions



21 -


5. Perspectives d’évolution de la puissance électrique demandée

5.1 Introduction

5.2 Hypothèses sur les profils des courbes de charge

5.3 Demande d’énergie électrique et courbes de charge5.3.1 Reconstitution de la courbe de charge pour l’année de

référence5.3.2 Évolution des courbes de charge pour chaque scénario 5.3.3 Perspectives d’évolution de la puissance maximale

demandée



22 -


6. Système de production d’énergie électrique

6.1 Introduction

6.2 Données de base6.2.1 Période de planification6.2.2 Prévision de la demande d’électricité (énergie et courbes de

charge)6.2.3 Centrales de production existantes et décisions déjà prises

pour le développement du parc de production d’électricité6.2.4 Centrales de production d’électricité candidates pour le

développement du parc de production d’électricité6.2.5 Données technico-économiques et environnementales pour

la recherche des meilleures variantes de développement du parc des moyens de production d’électricité



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7. Stratégies d’ajustement entre l’offre et la demanded’énergie électrique

7.1 Stratégies de référence

7.2 Stratégies privilégiant les ressources énergétiques indigènes et la sécurité nationale d’approvisionnement énergétique

7.3 Stratégies « ouvertes »



24 -


8. Caractérisation des stratégies pour chaque scénario

8.1 Caractérisation économique

8.2 Caractérisation sociétale

8.3 Caractérisation environnementale



25 -


9. Évaluation multicritère et multi-scénario des stratégies

9.1 Choix et justification de la méthode multicritère choisie

9.2 Détermination des poids des critères

9.3 Recherche des meilleures solutions

9.4 Synthèse des résultats



26 -


10. Prise en considération des incertitudes et des imprécisions

10.1 Sensibilité des résultats par rapport aux variables incertaines

10.2 Sensibilité des résultats par rapport aux données imprécises

10.3 Recherche des solutions les plus robustes



27 -


11. Synthèse des résultats principaux

11.1 Plans de développement les plus adéquats

11.2 Comparaison avec les résultats d’études antérieures

11.3 Conclusions et recommandations



28 -

Illustration par un exemple d’étude

Adéquation entre la demande et l’offre d’électricitédans la province de Shanghai (Chine)

E. Gnansounou, J. Dong



29 -


Shanghai:

Population: 13 Million

Surface: 6340km2



30 -


Analyse détaillée de la demande d’électricité

Catégories de consommateurs par secteur

primaire

Textile Machine

secondaire tertiaire

secteurs productif

urbain rural

résidentiel

totale

……



31 -

Analyse détaillée de la demande d’électricité (suite)

Évolution de consommation d’électricité totale et de la sa répartition sectorielle, relation entre consommation d’électricité et PIBSecteurs productifs

Évolution de valeur ajoutée et de la structure de l’économie.Évolution des intensités de consommation d’électricité.Secteur résidentiel

Consommation d’électricité annuelle par ménage.Évolution démographique Taux d’équipement en appareils

Illustration par un exemple d’étude (suite)



32 -

Illustration par un exemple d’étude (suite)Analyse détaillée de la demande d’électricité (suite)

Évolution et structure de la consommation d’électricité

Taux de croissance de consommation d’électricité 1988-1998 (% p.a.)

Total Primaire Secondaire Tertiaire Résidentiel urbain

Résidentiel rural

7.56 4.92 5.62 17.08 17.52 11.14

Electricity consumption structure in 1988

secondary85%

primary3%

household4%tertiary

8%

Electricity consumption structure in 1998

tertiary17%

household10%

primary2%

secondary71%



33 -


Évolution du PIB et de la structure de l’économie

Valeur ajoutée

PIB Primaire Secondaire Tertiaire

1988-1998 11.84 2.25 11.67 12.81

Taux de croissance de PIB et valeur ajoutée (% p.a.)

Le structure de l’économie en 1988 et 1998 (%)

(proportion de valeur ajoutée du secteur dans le PIB)

Primaire Secondaire Tertiaire Total 1988 4.4 56.5 39.1 100 1998 2.0 53.3 44.7 100



34 -


Évolution de la consommation d’électricité

PIB and valeur ajoutée

0.00 50.00

100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000

année

Milliard yuan95total

pri.

sec.

ter.

Consommation d’électricité

0.00 5.00

10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00

1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000

année

TWh total

pri.

sec.

ter.

Résid.

Évolution du PIB et de la valeur ajoutée



35 -


Relation entre la consommation d’électricité et le PIB

Consommation d’électricité et PIB

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PIB, milliard yuan95

TWh



36 -


Intensité d’électricité

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

année

kWh/yuan totalpri.sec.ter.

Évolution de l’intensité de consommation d’électricité



37 -


Evolution démographiqueTaux de croissance de la population 1988-1998: 0.3% p.a.3.2 personnes par ménage en 1988, 2.8 personnes par ménage en 1998

Consommation d’électricité annuelle par ménage

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1988 1990 1992 1994 1996 1998année

kWh/ménage

total

urbainrural



38 -

Illustration par un exemple d’étude (suite)Prévision de la demande d’électricité (suite)

Prévision de la demande d'électricité

020406080

100120140160180200

2000 2005 2010 2015 2020

année

TWh

scénario1

scénario2

scénario3



39 -


La courbe de charge journalière pour l’été, l’hiver, le printemps et l’automne 1998

0100020003000400050006000700080009000

10000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 heure

MW

été

hiver

p/a

Analyse de la puissance électrique demandée



40 -


Évolution de la puissance maximale

0

2000

4000

6000

8000

10000

1988 1990 1992 1994 1996 1998

année

MW



41 -


Perspectives de la puissance maximale

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

année

MW



42 -


Monotones de charge

0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Temps

Charge



43 -


Centrales de production d’électricité existantes :

17 centrales thermiques: 13 centrales à charbon, 2 centrales au pétrole de 100MW et 200MW, 1 centrale nucléaire avec des unités de 600MW, 1 centrale au gaz naturel avec des unités de 100MW.

Dans les 13 centrales à charbon, 5 centrales ont des unités de 300MW, 3 centrales ont des unités de 600MW, les autres centrales ont des unités à 100MW.

1 centrale hydroélectrique de pompage/turbinage avec des unités de 300MW.

Système de production d’énergie électrique

Période de planification: 2000-2020



44 -


Décisions déjà prises pour le développement du parc de production d’électricité:

- Une centrale nucléaire avec 2 unités de 700MW - Une centrale à charbon avec 2 unités de 900MW

- Une centrale hydroélectrique avec 6 unités de 500MW



45 -


Centrales de production d’électricité candidates pour le développement du parc de production d’électricité:

Centrale à gaz à cycles combinés de 300MW Centrale à charbon de 300MW Centrale à charbon de 600MW Centrale à charbon de 900MW Centrale nucléaire de 1000MW

Centrale hydroélectrique pompage/turbinage de 300MW



46 -

Illustration par un exemple d’étude (suite)Données technico-économiques et environnementales pour la recherche des meilleures variantes de développement du parc des moyens de production d’électricité

Données technico-économiques pour les centrales existantes et candidates: Capacité, type de combustible, prix de combustible, rendement, taux de pannes, coût d’exploitation, coût d’investissement, durée de vie, durée de construction, intérêt durant la construction, etc.

Données technico-économiques pour le système: LOLP : 1 jour/an Coût de l’energie non fournie : 7800 Yuan/MWh



47 -


Données environnementales:

Pénalité pour les émissions de CO2: Yuan/tonneCO2 Contrainte d’émission de CO2: tonneCO2/an

Données générales:

Taux d’actualisation : 8% Facteur de renchérissement



48 -


Résultats de l’analyse de variantes de développement du parc

Le plan optimal de développement du parc avec le nombre et l’année de mise en service des nouvelles centrales

Le coût total et sa structure: coût de combustible, coût d’exploitation, coût d’investissement.

La production d’électricité de chaque centrale.

La quantité consommée de chaque type de combustible.

Les émissions de CO2 de chaque type de centrale.

Le coût de production d’électricité du système.



49 -


Analyse de sensibilité sur:

Taux d’actualisation Coût d’investissement Prix de combustible

Pénalité de CO2 Contrainte d’émission de CO2



50 -

Energy generated by fuel type (Carbon Baseline)

0.00

20'000.00

40'000.00

60'000.00

80'000.00

100'000.00

120'000.00

140'000.00

Ener

y ge

nera

ted

(GW

h)

Hydro

Oil

Nuclear

Gas

Coal

Hydro 940.9 2254.9 4033.3 5811.7 7125.7 8904 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683

Oil 18.4 5.4 0.8 1.1 2.2 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Nuclear 14233 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506

Gas 30.8 10.7 1.9 2.3 4.4 4.6 4.3 24.6 111 191.7 228 163.3 203.7 204.4 172.3 152.3 166.9 147.1

Coal 45859 42468 42984 43763 46041 47186 48443 52656 55959 59608 63409 67519 71547 76022 80297 85005 89906 94920

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020



51 -

Energy generated by fuel type (Carbon + Nuclear)

0.00

20'000.00

40'000.00

60'000.00

80'000.00

100'000.00

120'000.00

140'000.00

Ener

y ge

nera

ted

(GW

h)

Hydro

Oil

Nuclear

Gas

Coal

Hydro 940.9 2255 4033 5812 7126 8904 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683

Oil 18.4 5.4 0.8 1.1 2.2 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Nuclear 14233 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 27427 27427 27427 27427 27427

Gas 30.8 10.7 1.9 2.3 4.4 4.6 4.3 24.6 111 191.7 228.4 213.4 203.7 178.8 192.4 171.1 147.1 164.4

Coal 45859 42468 42984 43763 46041 47186 48443 52656 55959 59608 63407 67437 71547 68011 72434 77208 82106 87033

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020



52 -

Energy generated by fuel type (Carbon + Nuclear + Gas)

0.00

20'000.00

40'000.00

60'000.00

80'000.00

100'000.00

120'000.00

140'000.00

Ener

y ge

nera

ted

(GW

h)

Hydro

Oil

Nuclear

Gas

C oal

Hydro 940.9 2255 4033 5812 7126 8904 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683 10683

Oil 18.4 5.4 0.8 1.1 2.2 0.3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Nuclear 14233 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 19506 27427 27427 35348 35348 35348

Gas 30.8 10.7 1.9 2.3 4.4 4.6 4.3 24.6 111 191.7 300.5 282.1 430.8 473.1 592.1 686.9 716.2 869.6

Coal 45859 42468 42984 43763 46041 47186 48443 52656 55959 59608 63335 67400 71347 67820 72065 68747 73586 78469

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020



53 -

Evolution of CO2 emission (baseline)

010

203040

506070

8090

20

04

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

20

18

20

19

20

20

CO

2 e

mis

sio

n (

Mt)

Carbon Carbon + Nuclear Carbon + Nuclear + Gas



54 -

Evolution of CO2 emission (CO2 penalty)

010

203040

506070

80902

00

4

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

20

16

20

17

20

18

20

19

20

20

CO

2 e

mis

sio

n (

Mt)

Carbon baseline 5$ CO2 penalty 3$ CO2 penalty



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Exercice de compréhension

L’entreprise Gaz S.A. distribue du gaz naturel dans une ville de 100’000 habitants dont la population est en croissance. En janvier 2010 seulement 30% de la population de cette ville a accès au réseau de distribution du Gaz naturel. Gaz S.A. est disposée à étendre son réseau de distribution de gaz mais à condition que ses nouveaux investissements soient rentables. Elle vous charge de lui recommander les meilleures stratégies à suivre.

• A quelles questions pertinentes devrez-vous répondre ?

• De quelles informations avez-vous besoin ?

• Comment pouvez-vous procéder pour répondre à ces questions ?

• Rédiger une table de matière type de votre rapport d’étude.



56 -

Approvisionnement de la Suisse en gaz naturel



57 -

Approvisionnement de la Suisse en gaz naturel

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