Les bases du système énergétique de demain

Le système énergétique actuel de la Suisse repose d'une part sur l'importation d'agents énergétiques fossiles tels que le gaz, l'essence et le pétrole, et d'autre part sur un nombre relativement restreint de grandes centrales nucléaires et hydroélectriques. L'électricité produite par ces centrales est acheminée vers les consommateurs via le réseau de transport et de distribution. Les lacs d'accumulation, les accumulateurs à pompage et le commerce d'électricité avec d'autres pays compensent les fluctuations d'utilisation, par exemple entre le jour et la nuit. Ce système devrait subir de profonds changements au cours des prochaines décennies. La loi sur l'énergie entrée en vigueur en 2018 prévoit que la Suisse renonce progressivement à l'énergie nucléaire et utilise davantage de sources d'énergie renouvelables. En outre, les b?timents, l'industrie et la mobilité doivent devenir plus efficaces sur le plan énergétique. Les émissions nettes de CO₂-devraient être nulles en 2050. Cela pourrait entra?ner une augmentation supplémentaire de la consommation d'électricité, par exemple en raison de l'utilisation accrue de véhicules électriques ou de pompes à chaleur.

L'un des défis consiste à couvrir la part de l'énergie nucléaire dans le mix électrique suisse (environ 35 % aujourd'hui) par des énergies renouvelables. Le photovolta?que y jouera un r?le important, l'éolien un r?le comparativement moins important. Les deux sont des sources d'énergie volatiles, car elles produisent une puissance variable selon les saisons et les conditions météorologiques. Pour équilibrer la production et la demande, il faut des technologies capables de transformer les formes d'énergie, de les stocker efficacement et de les fournir à nouveau sous la forme requise. L'énergie solaire excédentaire de l'été pourrait ainsi couvrir les besoins accrus de l'hiver. Des technologies de conversion et de stockage flexibles, associées à des solutions numériques, permettraient de multiplier les "couplages sectoriels". Par exemple, l'électricité bon marché produite par les installations photovolta?ques pourrait servir à produire de l'hydrogène pour alimenter les camions. Le réseau électrique du futur sera plus décentralisé, plus flexible et plus interconnecté.

Un écosystème pour la recherche énergétique

Il doit en être de même pour la recherche qui en fournit les bases. "Celui qui étudie une seule technologie de manière isolée ne peut faire qu'une déclaration limitée", estime John Lygeros, professeur à l'Institut d'automatique de l'ETH Zurich. "Il faut, dès la recherche, un écosystème en réseau pour tester toutes les technologies possibles en interaction les unes avec les autres." Lygeros dirige l'un des dix projets de recherche chapeautés par la plateforme ReMaP (" Renewable Management and Real-Time Control Platform "), partiellement soutenue par l'office fédéral de l'énergie et présentée au public en juin 2019 par l'ETH Zurich, l'Empa et l'Institut Paul Scherrer.

Les institutions disposent d'un large éventail d'infrastructures de recherche, qui seront reliées et étendues dans le cadre du projet ReMaP. Ces infrastructures comprennent aujourd'hui les plateformes ESI du PSI ainsi que ehub de l'Empa. Alors qu'ESI propose notamment différentes technologies de conversion de l'électricité en gaz, ehub offre la possibilité d'étudier les flux énergétiques dans les secteurs de l'habitat, du travail et de la mobilité. Il utilise les démonstrateurs NEST - un "quartier vertical" animé en permanence pour la durabilité de la construction - et move, une station-service pour carburants issus d'énergie renouvelable.

Le Control Framework et le Simulation Framework constituent le c?ur de ReMaP. Ils permettent aux utilisateurs de relier entre eux, pour leurs expériences, n'importe quel appareil physique provenant de différents sites ainsi que des modèles numériques d'appareils en temps réel et d'étudier leurs interactions. Les données issues des expériences arrivent dans une base de données centrale. Deux partenaires industriels participent en outre à l'élaboration du logiciel nécessaire : L'entreprise smart grid solutions et le spin-off de l'ETH Adaptricity. Andreas Haselbacher, enseignant au Département de génie mécanique et des procédés de l'ETH et responsable du projet ReMaP, déclare : "Il n'existe actuellement aucune plateforme de recherche comparable dans le monde qui permette de comprendre divers systèmes énergétiques au niveau du quartier, tant du point de vue matériel que logiciel".

La flexibilité comme objectif principal

John Lygeros et sa doctorante Marta Fochesato peuvent par exemple utiliser depuis l'ETH aussi bien un électrolyseur à l'Institut Paul Scherrer qu'une station-service d'hydrogène à l'Empa. Dans l'électrolyseur, l'électricité est utilisée pour décomposer l'eau en hydrogène et en oxygène. Tous deux veulent optimiser le stockage de l'énergie sous forme d'hydrogène. Ils étudient notamment la manière la plus économique de couvrir un besoin donné en hydrogène. En se basant sur le rendement, la dynamique thermique et le comportement de régulation de l'électrolyseur, ils ont développé un régulateur numérique optimal, c'est-à-dire un algorithme qui décide chaque minute, en fonction du prix actuel de l'électricité, à quelle puissance l'électrolyseur doit fonctionner. Si l'électricité est chère, l'hydrogène n'est produit que lorsqu'il y a un besoin urgent - par exemple lorsqu'une voiture doit faire le plein d'hydrogène. Si elle est bon marché, l'appareil produit de l'hydrogène en réserve. Les co?ts d'électricité sont ainsi moins élevés que si l'électrolyseur ne réagissait qu'aux besoins. L'élément décisif de l'expérience est de rendre la transformation et le stockage flexibles de l'énergie aussi efficaces que possible - afin d'apporter finalement une contribution importante au problème, jusqu'ici non résolu, du stockage saisonnier économique de l'énergie solaire ou éolienne. "Intégrer l'infrastructure de différentes institutions dans la même expérience est une t?che exigeante. ReMaP est unique en ce sens qu'il permet une collaboration comme celle qui existe ici entre l'ETH, l'Empa et le PSI à cette échelle", explique Lygeros.

Un autre projet ReMaP se concentre sur les centrales de cogénération. Celles-ci se composent souvent d'un moteur à combustion et d'un générateur qui produit de l'électricité. Celle-ci peut être réinjectée dans le système en cas de surplus. La chaleur résiduelle de la combustion est par exemple utilisée pour chauffer des b?timents. Cette chaleur serait disponible jusqu'à 750°. Or, pour chauffer un b?timent, elle est utilisée à environ 80°, ce qui représente une perte considérable de potentiel d'utilisation, car une température plus élevée peut être utilisée de manière plus flexible et plus efficace. Konstantinos Boulouchos et Christian Schürch de la chaire d'aérothermochimie de l'ETH Zurich poursuivent l'approche consistant à utiliser une partie de la chaleur perdue, au lieu de la chauffer, pour alimenter une réaction chimique dans un reformeur à vapeur et produire ce que l'on appelle du gaz de synthèse, un mélange d'hydrogène, de méthane et de dioxyde de carbone. La puissance de chauffage de la centrale de cogénération diminue certes, mais la centrale produit ainsi une forme d'énergie de plus grande valeur et plus flexible : le gaz de synthèse est une source d'énergie pouvant être stockée de manière saisonnière. Les deux chercheurs cherchent maintenant le meilleur concept d'exploitation pour de telles centrales. La centrale de cogénération utilisée pour l'expérience se trouve dans le b?timent ML sur le campus du centre-ville de l'ETH, mais elle est intégrée au réseau de l'Empa - toutes les données y sont traitées.

Ouverture d'esprit pour d'autres partenaires

ReMaP poursuit son développement. Ces expériences montrent que d'autres systèmes physiques, comme des installations de biogaz ou des centrales hydroélectriques, pourraient un jour être intégrés dans la plateforme, même s'ils ne se trouvent sur aucun des trois sites. Le chef de projet Andreas Haselbacher se tourne vers l'avenir : "Nous sommes très intéressés par l'intégration d'autres partenaires, qu'il s'agisse d'universités, de hautes écoles ou d'acteurs de l'industrie."L'objectif déclaré de ReMaP n'est pas seulement la recherche et le développement, mais aussi la formation et la communication : la plateforme doit aider à former la prochaine génération de chercheurs et de spécialistes, tout en offrant à la société dans son ensemble ainsi qu'aux décideurs politiques et économiques un aper?u du système énergétique du futur. Detlef Günther, Vice-président pour la recherche de l'ETH, se réjouit : "Pour progresser plus rapidement dans la recherche et finalement réussir la transition énergétique, nous devons travailler en réseau et de manière multidisciplinaire, et impliquer l'industrie tout autant que la politique et le public. ReMaP est un bon exemple de la manière dont le Domaine des EPF va de l'avant sur ces sujets".