Optimisation des réseaux multi-énergies électricité/gaz (perspective: thèse CIFRE avec GRDF)

Equipe d’encadrement

Le stage sera encadré par des chercheur et enseignants-chercheurs du laboratoire IETR :

-        à l’Ecole Normale Supérieure de Rennes : Anne Blavette, Roman Le Goff Latimier, Hamid Ben Ahmed 

-        à CentraleSupélec : Juan Cuenca 

Il sera mené dans le cadre du projet « REZO » (“Réseaux Electriques et gaZ Optimisés”), financé par GRDF et en collaboration avec cette entreprise, et en lien avec d’autres industriels (Keynergie, Roseau Technologies, Nevezus, Eureden, GRTGaz…) et une collectivité locale (Loudéac Communauté Bretagne Centre).

Sujet : 

Le nombre croissant de sites de production biométhane raccordés au réseau de distribution de gaz rend la prévention des phénomènes de saturation, voire leur remédiation, de plus en plus fréquente [GRDF, 2024],[GRDF, 2024a]. De nombreuses possibilités existent (rebours, stockage, maillage, voire torchage), mais peuvent être onéreuses, demander un temps d’installation long, ou entraîner un impact environnemental négatif significatif (torchage) et donc à contre-courant des objectifs du secteur. 

Or, un couplage accru entre les réseaux de gaz et d’électricité pourrait permettre de résoudre ces situations de saturation de manière plus économique et plus respectueuse de l’environnement. En effet, de nombreux exemples montrent que l’exploitation des synergies entre les réseaux d’énergie peut entraîner des bénéfices significatifs pour l’ensemble des acteurs impliqués dans chacun des réseaux [RTE, 2022], [Al-Asmi, 2023]. Le couplage entre le réseau de gaz et le réseau d’électricité existe depuis toujours via l’utilisation de turbines à gaz pour la génération d’électricité. Cependant, le potentiel de ce couplage est encore sous-exploité. En particulier, un meilleur couplage pourrait permettre de résoudre les problèmes ponctuels de saturation du réseau gaz de manière économique pour le gestionnaire de réseau de gaz par rapport, ou en complément à, d’autres solutions plus coûteuses (rebours, stockage, maillage).  

Ce couplage pourrait s’effectuer via la technologie émergente des batteries de Carnot [Dumont, 2020] dont le concept présente de nombreux avantages, et qui s’appuie notamment sur du stockage de chaleur dans des matériaux réfractaires ou des roches naturelles (ex : du basalte [STOLECT, 2024]). Cette chaleur peut être générée par de l’électricité renouvelable (ex : PV, éolien) via une résistance thermique. La chaleur stockée est ensuite re-transformée en électricité pour couvrir des besoins locaux ou ré-injectée sur le réseau électrique. Ce type de stockage présente de nombreux avantages par rapport aux batteries électrochimiques (ex : lithium-ion) : des matériaux abondants et peu chers, disponibles dans de nombreux endroits sur Terre, une absence de toxicité, et une pollution très réduite pour leur extraction. Cependant, la rentabilité du stockage thermique, lorsqu’il est utilisé seulement pour le stockage et la restitution d’électricité, est fortement dépendante du contexte économique du pays d’implantation [Lagoni, 2023]. Une alternative émergente à l’heure actuelle consiste à considérer des batteries de Carnot dites « intégrées thermiquement » visant à améliorer l’efficacité totale (round-trip efficiency) en stockant de la chaleur peu chère voire fatale en plus de la chaleur générée à partir d’électricité renouvelable [Dumont, 2020]. Cette chaleur compétitive pourrait être générée via des turbines à gaz alimentées au biométhane afin de prévenir des saturations sur le réseau de gaz. Ainsi, le gestionnaire de réseau de gaz pourrait bénéficier d’un service à moindre coût d’élimination des saturations grâce à une batterie de Carnot intégrée thermiquement. En parallèle, celle-ci améliorerait sa compétitivité économique, contribuant ainsi au déploiement à large échelle de cette technologie pertinente sous de nombreux aspects (environnementaux, souveraineté nationale). 

Cependant, de nombreux challenges se posent. Le premier challenge consiste à optimiser techno-économiquement le dimensionnement des installations d’un système d’énergie gaz/électricité (unité de stockage thermique, turbine à gaz, ferme photovoltaïque, etc.) dans un contexte très incertain. Les incertitudes au pas de temps de plusieurs décennies proviennent notamment des prix du gaz et de l’électricité, de la production/consommation biométhane sur une maille donnée, etc.  

Un deuxième challenge consiste à optimiser les mécanismes de coordination, de partage de données et les modèles d’affaires à établir entre les gestionnaires de réseau de gaz, de réseau d’électricité, des unités de stockage thermique, et les producteurs et consommateurs de biométhane et d’électricité. Ces mécanismes de coordination peuvent prendre la forme par exemple de signaux dynamiques sur diverses échelles de temps (journalières, horaires, etc.) entre acteurs, et être incitatifs ou directifs. Les mécanismes de partage des données peuvent présenter par exemple différents niveaux d’agrégation temporelle et spatiale (en lien avec la protection de la confidentialité). Enfin, les modèles d’affaires peuvent être basés sur des contrats fixes ou des tarifs dynamiques, combinés ou non aux signaux de coordination évoqués précédemment. Les exemples cités ne sont pas exhaustifs mais démontrent la grande variété des combinaisons pouvant exister, et qui seront étudiées dans le cadre de ce projet. 

Le troisième challenge consiste à assurer l’optimisation de la gestion des installations au jour le jour, en prenant en compte les incertitudes à l’échelle journalière (ex : liée à la production photovoltaïque/éolienne, etc.). 

Le but de ce stage sera de réaliser un travail préliminaire dans ce domaine, se concentrant par exemple sur le dimensionnement et la gestion optimales sous incertitudes des infrastructures d’énergie. Une analyse bibliographique sera menée dans un premier temps. Dans un deuxième temps, la formalisation de cas d’études basés sur le réseau gaz et électrique de Loudéac (22) sera réalisée. Les modèles nécessaires à l’étude de cas (réseaux, stockage) seront adaptés de modèles existants fournis par les partenaires industriels. Les études de cas seront ensuite menées et un rapport technique sera rédigé à l’intention de l’ensemble des partenaires.

Profil recherché

 Etudiant en Master 2 en génie électrique, modélisation numérique, informatique, énergétique, automatique, mathématiques appliquées, voire d’autres autres disciplines scientifiques.

De compétences en en programmation (particulièrement Python) seraient appréciées. Un intérêt pour les réseaux d’énergie voire multi-énergie serait un plus.

Dates, durée et localisation

Le stage proposé est de 6 mois. La date de démarrage est flexible sur l’année universitaire 2024-2025 et peut commencer dès novembre 2024. Il se déroulera à l’Ecole Normale Supérieure de Rennes, laboratoire IETR, avenue Robert Schuman, 35170 Bruz.

Contact et candidature

Pour postuler, merci d’envoyer un CV et une lettre de motivation à Anne Blavette (anne.blavette@ens-rennes.fr), Roman Legoff Latimier (Roman.Legoff-Latimier@ens-rennes.fr), Hamid Ben Ahmed (benahmed@ens-rennes.fr) et Juan Cuenca (juan.cuenca@centralesupelec.fr).

Références bibliographiques

[Al-Asmi, 2023] Ibrahim Al-Asmi, « Co-optimisation d'un stockage hybride-chaleur et électricité-dans un réseau multi-énergies », thèse de doctorat, Ecole Normale Supérieure de Rennes, 2023. 

[GRDF, 2024] GRDF, « La dynamique du marché de la méthanisation», page web, accès le 18/04/2024. 

[GRDF, 2024a] Act4Gaz (GRDF), « Avec l’arrivée des gaz verts, peut-il y avoir une saturation du réseau ?», page web, accès le 18/04/2024. 

[Dumont, 2020] Olivier Dumont, Guido Francesco Frate, Aditya Pillai, Steven Lecompte, Michel De paepe, Vincent Lemort,  “Carnot battery technology: A state-of-the-art review”, Journal of Energy Storage, 2020.

[Lagoni, 2023] Zenia Lagoni, Caroline Møller Sørensen, Grethe Hjortbak, Lars Reinholdt, “IEA IETS Task XIX: Electrification in Industry - Report on industrial sector coupling potential in Danish industry”, Rapport technique, 2023. 

[RTE, 2022] RTE, « Futurs énergétiques 2050 », Rapport technique, 2022. 

[STOLECT, 2024] STOLECT, site web,http://www.stolect.com/, accès le 18/04/2024. 

[Muhlke, 2023]R. Muhlke, J.B. Castaing et al., ”Gazéification hydrothermale - Livre blanc”, rapport technique, 2023.