Interaction de nombreuses petites centrales

À l’avenir, l’approvisionnement énergétique de la Suisse sera de plus en plus décentralisé : aux côtés de quelques grosses centrales électriques, un nombre croissant de petites installations décentralisées contribueront à produire de l’énergie. Au nombre de ces dernières figurent par exemple des parcs éoliens et solaires, mais aussi des installations photovoltaïques ou solaires thermiques équipant des maisons individuelles. À cela s’ajoutent des systèmes capables de compenser les fluctuations de la production d’énergie à partir de sources renouvelables en stockant ou en convertissant l’énergie excédentaire, comme les batteries, les accumulateurs de chaleur, les pompes à chaleur ou les systèmes power-to-gas. Ces derniers convertissent l’électricité en gaz (hydrogène ou méthane) qui pourra ensuite être réutilisé à tout moment pour le chauffage ou la propulsion de véhicules.

Dans ces conditions d’approvisionnement décentralisé, maintenir la stabilité du réseau électrique tout en tirant le maximum des installations de production nécessite toutefois d’interconnecter les systèmes entre eux. « Nous devons coupler directement la production d’énergie à la consommation », explique Marco Mazzotti, professeur en génie des procédés à l’EPF de Zurich. C’est précisément ce que permettent les hubs multi-énergies, conçus pour piloter les différents systèmes énergétiques et les interconnecter entre eux.

Prendre en compte tous les facteurs d’influence

En l’absence de méthodologie précise de modélisation des performances à long terme tenant compte des évolutions à venir, il demeurait jusqu’à présent difficile de planifier ce type de hub multi-énergies. Marco Mazzotti et ses collègues de l’EPF de Zurich viennent de combler cette lacune : dans le cadre d’un projet conjoint, l’équipe de recherche a mis au point une méthodologie permettant de déterminer la configuration optimale d’un hub multi-énergies et la manière de l’intégrer à une infrastructure existante.

À cet effet, les chercheuses et chercheurs ont dû prendre en compte de très nombreux facteurs, tels que le besoin d’énergie actuel et à venir des bâtiments, le potentiel des énergies renouvelables ou l’efficacité actuelle et future des méthodes de production d’énergie. De même, il s’agissait de tenir compte de l’évolution à court et à long terme des technologies de stockage, des conditions-cadres politiques, ainsi que de l’acceptation par la société. Tous ces facteurs ont été étudiés dans le cadre de sous-projets individuels et reproduits dans un programme informatique. Ces modèles informatiques permettent désormais de planifier des hubs multi-énergies pour les quartiers les plus variés, c’est-à-dire de déterminer avec quels types d’installations un hub multi-énergies fonctionne de façon optimale dans les conditions données et quelle quantité d’énergie il est susceptible de fournir.

Les chercheuses et chercheurs de l’EPF ont testé leur méthodologie via deux études de cas : l’une dans le village de Zernez, dans le canton des Grisons, et l’autre dans le quartier zurichois d’Altstetten – c’est-à-dire aussi bien dans un environnement rural qu’en milieu urbain. L’objectif était dans tous les cas l’utilisation optimale des sources d’énergie renouvelables avec des hubs multi-énergies. Soit, en d’autres termes, de limiter autant que possible les émissions de CO₂, ainsi que les coûts annuels.

Contribution des hubs multi-énergies à la Stratégie énergétique 2050

Dans un premier temps, les chercheuses et chercheurs ont étudié quelles installations de production, de stockage et de conversion d’énergie étaient les mieux adaptées aux différents quartiers. À cet effet, ils ont d’une part mené des entretiens avec des acteurs locaux du secteur de l’énergie, tels que Elektrizitätswerk Zürich ou Energia Engiadina. D’autre part, ils ont déterminé le rendement électrique d’éventuelles centrales éoliennes et solaires, ainsi que les spécifications des pompes à chaleur et accumulateurs d’énergie correspondants – notamment des solutions de stockage à court terme comme les batteries et les réservoirs d’eau chaude, mais aussi des réservoirs d’hydrogène destinés à compenser les fluctuations saisonnières à plus long terme.

L’équipe de recherche a ensuite simulé le fonctionnement des équipements sélectionnés à l’aide de modèles informatiques. Ceci leur a permis de déterminer les meilleures conditions d’interaction des technologies : fréquence et durée de fonctionnement d’une pompe à chaleur, niveau de charge des batteries et des accumulateurs de chaleur, opportunité de recourir à un réservoir d’hydrogène.

Puis, les chercheuses et chercheurs de l’EPF ont comparé les hubs multi-énergies ainsi planifiés aux objectifs de la Stratégie énergétique 2050. Pour ce faire, ils ont élaboré des scénarios d’avenir pour les années 2020, 2035 et 2050. Ceci leur a permis de constater que dans le cas de Zernez, les résultats sont à la hauteur des attentes. Grâce au hub multi-énergies prévu, les émissions de CO₂ passeraient sous la limite prévue par la Stratégie énergétique 2050. Dans le cas d’Altstetten, la situation est plus délicate. La réduction des émissions de CO₂ liées au hub multi-énergies y est moins nette étant donné que ce quartier urbain offre moins d’opportunités d’installation d’équipements fonctionnant à base d’énergies renouvelables.

Une population suisse plutôt favorable

Enfin, les techniciennes et techniciens en procédés de l’EPF ont consacré un sous-projet à l’acceptation des hubs multi-énergies par la population. Ils ont interrogé à cet effet plus de 1000 personnes en Suisse, ainsi que plus de 500 autres respectivement en Allemagne et en Autriche. La population suisse s’est avérée être la plus ouverte. Les personnes sondées ont notamment apprécié la réduction des effets néfastes sur l’environnement et le climat, ainsi que la possibilité de pouvoir personnellement contribuer à la transition énergétique grâce à l’approvisionnement décentralisé en énergie.

Les Suissesses et les Suisses se montrent toutefois plus sceptiques concernant le financement de ces hubs multi-énergies. Selon Marco Mazzotti, la précision de la méthode de planification des installations et de simulation de leur impact est d’autant plus importante. « Notre méthode est en principe adaptée à tous types de zones résidentielles. » Des discussions sont déjà en cours concernant une application du procédé au réseau énergétique du campus Hönggerberg de l’EPF.