Planification combinée d’énergies renouvelables

En complément de quelques grosses centrales électriques, les systèmes dits de « hub multi-énergies » pourraient fournir à l’avenir une part considérable de notre énergie. Il s’agit de systèmes associant de petites centrales électriques et de dispositifs de stockage. Des installations solaires, des éoliennes, des pompes à chaleur, des batteries, des accumulateurs de chaleur ou des installations power-to-gas (conversion d’électricité en gaz) peuvent ainsi être interconnectés et leur exploitation peut être coordonnée. L’objectif est d’exploiter les sources d’énergie renouvelables de manière optimale et de réduire ainsi les émissions de CO2. Jusqu’à présent, il était toutefois difficile de mettre en place de tels systèmes multi-énergies, ou même simplement de les planifier, car il n’existait pour ce faire que des méthodes extrêmement simplifiées et donc imprécises.

Cela s’explique : « pour bien planifier les installations, les évolutions futures doivent être prises en compte aussi rigoureusement que possible », précise Marco Mazzotti, professeur en génie des procédés à l’EPF de Zurich. Or, les pronostics en la matière impliquent de nombreuses incertitudes : Comment vont évoluer les conditions météorologiques et, en conséquence, les rendements énergétiques des installations solaires et éoliennes ? Quelle sera l’évolution des performances des installations techniques ? Comment évolueront les prix de l’énergie et la demande d’électricité renouvelable, qui influencent à leur tour les coûts d’acquisition et d’exploitation des systèmes ? Une méthode de conception de systèmes multi-énergies doit répondre à toutes ces questions avec le plus de réalisme possible. En collaboration avec son équipe de recherche, Marco Mazzotti a développé une telle méthode. Celle-ci permet de représenter des systèmes multi-énergies et d’en simuler le fonctionnement, et ce en prenant en compte les évolutions futures, susceptibles de les influencer.

Dans cette optique, les chercheuses et chercheurs ont décrit de tels systèmes sous forme de modèles informatiques. Dans le cadre du présent sous-projet, ils se sont tout d’abord attelés aux caractéristiques techniques des systèmes : ils ont élaboré des modèles thermoélectriques de toutes les installations susceptibles d’être intégrées dans un hub. Ces modèles permettent de reproduire le comportement des installations, telles que les modules photovoltaïques ou les pompes à chaleur. Les chercheuses et chercheurs ont ensuite intégré différents paramètres prévisionnels, comme des données météorologiques ou des évolutions de prix. Ceux-ci sont nécessaires pour simuler le fonctionnement et les coûts des installations.

Un niveau de détail supérieur n’est pas nécessairement un avantage

Dans un premier temps, des modèles très complexes et détaillés ont ainsi vu le jour pour les différents systèmes énergétiques. En raison de la complexité des calculs à réaliser à l’aide de ces modèles informatiques, les techniciennes et techniciens en procédés de l’EPF ont cependant dû réduire le degré de détail initialement prévu. Ils ont finalement opté pour des valeurs approchantes, basées toutefois sur les modèles détaillés. « Nous avons cherché un équilibre entre le degré de détail des modèles et l’incertitude liée aux prévisions », explique Marco Mazzotti. En effet, plus un modèle est riche en détails, plus il est représentatif de la réalité, mais plus il exige aussi de puissance de calcul. En outre, plus un modèle intègre de paramètres prévisionnels, plus il comportera d’incertitudes à long terme, de sorte qu’un niveau de détail plus élevé peut même entraîner des écarts plus importants à l’échelle de la durée de vie d’une installation.

Les chercheuses et chercheurs ont pu déterminer le niveau de détail approprié en comparant leurs modèles avec des données expérimentales issues de publications scientifiques ou d’installations disponibles dans le commerce. Ils ont ainsi créé des modèles simplifiés pour les centrales solaires, éoliennes et hydrauliques. Des modèles plus complexes étaient en revanche nécessaires pour décrire d’autres systèmes énergétiques, comme les systèmes power-to-gas et les centrales de cogénération.

Convertir le courant en gaz et l’utiliser pour le chauffage

Les systèmes power-to-gas, qui transforment l’énergie électrique en gaz, pourraient devenir à l’avenir un composant essentiel des hubs multi-énergies. Grâce à la possibilité de le stocker à long terme, le gaz peut être utilisé ultérieurement, par exemple à des fins de chauffage. En ce sens, de tels systèmes font figure de possibilité prometteuse pour compenser les variations saisonnières liées à la production d’énergie renouvelable.

Les centrales de cogénération en revanche servent principalement à tirer le maximum des centrales thermiques classiques : en plus de l’électricité produite, elles permettent d’exploiter la chaleur dissipée. L’équipe de Marco Mazzotti a modélisé la micro-variante de telles installations dans le cadre de sa méthode : des centrales thermiques à gaz comme fournisseur d’électricité et de chauffage pour des maisons individuelles. Outre du gaz naturel, il est également possible d’y brûler du biogaz écologique issu de déchets et de matières premières renouvelables.

Au-delà de la technologie

Dans le cadre de deux sous-projets distincts, les chercheuses et chercheurs de l’EPF ont également simulé le fonctionnement et la commande de hubs multi-énergies, ainsi que leur rentabilité, aujourd’hui et à l’avenir. Ils ont ensuite intégré ces aspects à leurs modèles informatiques.

Selon l’équipe de recherche, les modèles résultant de leur travail constituent la première méthodologie permettant de planifier la conception optimale de hubs multi-énergies pour des quartiers très variés. Cette méthode permet également de déterminer la meilleure manière d’intégrer les différentes installations dans une infrastructure énergétique existante et le niveau de charge auquel elles interagissent le mieux.

Jusqu’à présent, les chercheuses et chercheurs ont testé leur méthode via deux études de cas, l’une dans le village de Zernez, dans la région suisse de l’Engadine, et l’autre dans le quartier zurichois d’Altstetten. Dans chacun de ces cas, ils ont respectivement planifié un hub multi-énergies et en ont analysé l’impact. Résultat : sur les deux sites, les émissions de CO2 diminueraient sensiblement et, à Zernez elles passeraient même sous la limite fixée par la Stratégie énergétique 2050.

Les techniciens en procédés veulent à présent appliquer leur méthode à d’autres quartiers. Un projet est déjà en discussion pour le campus Hönggerberg de l’EPF.