The optimal short-term management of flexible nuclear plants in a competitive electricity market as a case of competition with reservoir

Résumé En Fr

In many countries, the electricity systems are quitting the vertically integrated monopoly organization for an operation framed by competitive markets. It therefore questions how nuclear plants should be operated in an open market framework. We address the medium-term horizon of management to take into account the fluctuations of demand according to the seasons of year. A flexible nuclear set (like the French) could be operated to follow a part of the demand variations. Since nuclear plants have to stop periodically to reload their fuel (every 12 or 18 months), we can analyze the nuclear fuel as a stock behaving like a reservoir. The flexible operation of the reservoir permits to get different nuclear fuel allocations according to the different levels of the seasonal demand. We then analyze it within a general deterministic dynamic framework with two types of generation : nuclear and thermal non-nuclear. We study the optimal management of the production in a perfectly competitive market. In this paper, we focus on the optimal short-term (monthly) production behaviour before moving to a yearly or multi-annual optimization. This constitutes a prudent research strategy of a flexible nuclear set leaving the monopoly organization and exploring how to reach a market equilibrium in a competitive market. Then, we set up a simple numerical model (based on data from the French market) given that the nuclear production set is managed in a flexible manner in order to follow the variations in demand (like the French nuclear set actually does). The marginal cost of nuclear production being (significantly) lower than the one of non-nuclear induces a discontinuity of producer's short-term profit. The problem of discontinuity makes the resolution of the optimal short-term production problem extremely complicated and even leads to a lack of solutions. That is why it is necessary to study an approximate problem (continuous problem) that constitutes a "regularization" of our economical problem (discontinuous problem). The simulations show why future demand has to be anticipated to manage the current use of the nuclear fuel reservoir. Moreover, to ensure the equilibrium between supply and demand, the management of the nuclear set has to take into account the thermal non-nuclear generation capacity.

Dans de nombreux pays, les systèmes électriques sont en train de quitter l'organisation de monopole verticalement intégrée pour une opération encadrée par des marchés concurrentiels. On s'interroge donc sur la façon dont les centrales nucléaires doivent être utilisées dans un cadre de marché ouverte. Nous nous plaçons dans un horizon "moyen terme" de la gestion afin de prendre en considération les fluctuations de la demande selon les différentes saisons de l'année. Un parc nucléaire flexible permet de suivre une partie des variations de la demande. Dans ce cadre, le stock de combustible nucléaire peut être analysé comme un réservoir puisque les centrales nucléaires s'arrêtent périodiquement (tous les 12 ou 18 mois) pour recharger leur combustible. La gestion flexible de ce réservoir permet d'obtenir des profils différents d'usage de combustible nucléaire selon les différents niveaux de la demande saisonnière. On se place dans un cadre dynamique déterministe général avec deux types de production : nucléaire et thermique non-nucléaire. Nous étudions la gestion optimale de la production dans un marché parfaitement concurrentiel. Dans cet article, nous nous concentrons sur le comportement optimale de la production à court terme (mensuel) avant de passer à une optimisation annuelle ou pluriannuelle. Il s'agit d'une stratégie prudente de recherche d'un parc nucléaire flexible qui quitte l'organisation monopolistique et explore la façon d'atteindre un équilibre de marché dans un marché concurrentiel. Ensuite, nous construisons un modèle numérique très simple (basé sur les données du marché français) étant donné que la production nucléaire est gérée de manière flexible afin de suivre les variations de la demande (comme le parc nucléaire français). Le coût marginal de production nucléaire, étant (significativement) inférieur à celui de production non-thermique, induit une discontinuité de profit à court-terme des producteurs. Le problème de la discontinuité rend la résolution du problème d'optimisation de la production à court terme extrêmement compliquée et conduit même à un manque de solutions. Pour cette raison, il est nécessaire d'étudier un problème d'optimisation approximative (problème continu) qui constitue une "régularisation" de notre problème économique (problème discontinu). Nos simulations expliquent pourquoi il faut anticiper la demande future pour gérer la production actuelle du parc nucléaire. Il faut de plus pour assurer l'équilibre offre - demande prendre en compte les capacités thermiques non nucléaires dans la gestion du parc nucléaire.