Faits :
A.
Le 27 août 2018, les Services Industriels de Genève (ci-après: SIG), ont obtenu l'autorisation de construire une station de pompage (ci-après: STAP) avec captage en eau profonde sur la parcelle n° 1'566 de la commune de Pregny-Chambésy, propriété de l'État de Genève (ci-après: STAP du Vengeron). Cette autorisation (DD 110'263) a été publiée dans la Feuille d'avis officielle (FAO) du même jour et n'a pas fait l'objet de recours. Cette autorisation s'inscrit dans le cadre du développement du projet de réseau thermique GeniLac, qui constitue l'un des réseaux thermiques majeurs, prévu par le plan directeur cantonal (ci-après: PDCn) 2030, dans sa fiche D2 relative à la coordination de l'aménagement du territoire et de la politique énergétique cantonale; ces réseaux sont décrits comme des infrastructures structurantes pour un urbanisme durable à l'échelle de l'agglomération franco-valdo-genevoise.
B.
Le 7 juin 2019, les SIG ont déposé une demande d'autorisation de construire complémentaire (DD 110'263/2) visant l'installation d'un chantier pour la réalisation de la STAP du Vengeron, sur le quai de Cologny pendant 24 mois, notamment sur les parcelles n os 1'843, 1'853 et 1'817 de la commune de Cologny. Ce projet comprend une grue de 42 m de haut, des cabanes de chantier ainsi que des contreventements le long des berges en bordure de parcelle sur une longueur d'environ 150 m; une zone de stockage et une zone d'assemblage sont également prévues, ainsi qu'une voie de roulement permettant le déplacement des tuyaux avant leur mise à l'eau. Ces parcelles sont incluses dans le périmètre de protection instauré par la loi cantonale sur la protection générale des rives du lac du 4 décembre 1992 (LPRLac; RS/GE L 4 10).
Dans le cadre de cette demande d'autorisation, divers préavis ont été recueillis (Commune de Cologny; Office de l'urbanisme; Office cantonal du génie civil; Commission des monuments, de la nature et des sites; Office cantonal de l'eau [OCEau]; Commission consultative de la diversité biologique; Office cantonal de l'agriculture et de la nature; Service de l'environnement et des risques majeurs) et, par décision du 13 décembre 2019, publiée dans la FAO, le Département cantonal du territoire (ci-après: le Département cantonal) a délivré l'autorisation de construire pour installer un chantier sur le quai de Cologny.
C.
Par jugement du 23 décembre 2020, le Tribunal administratif de première instance (ci-après: le TAPI) a rejeté le recours formé par la Commune de Cologny (ci-après: la Commune) contre cette décision, considérant notamment que l'installation litigieuse pouvait bénéficier d'une autorisation dérogatoire au sens de l'art. 24 LAT. Dans le cadre de l'instruction de cette cause, la Commune a produit, à l'appui de sa réplique, une étude du 10 juin 2020 établie par la société A._ (ci-après: A._), co-mandatée par les SIG, l'OCEau et elle-même, afin d'évaluer les avantages et inconvénients des différents sites propres à accueillir le chantier litigieux.
D.
Par arrêt du 13 avril 2021, la Chambre administrative de la Cour de justice de la République et canton de Genève a rejeté le recours formé par la Commune contre l'arrêt du TAPI.
E.
Agissant par la voie du recours en matière de droit public, la Commune demande au Tribunal fédéral, principalement, d'annuler l'arrêt attaqué et la décision d'autorisation de construire DD 110263/2 publiée le 13 décembre 2019. Subsidiairement, elle lui demande de renvoyer la cause à la cour cantonale pour nouvelle décision au sens des considérants. La commune recourante demande l'effet suspensif, qui a été accordé par ordonnance du 8 juin 2021.
La cour cantonale persiste dans les considérants et le dispositif de son arrêt, sans autres observations. Le Département cantonal du territoire ainsi que les SIG concluent au rejet du recours. Invité à déposer des observations, l'Office fédéral du développement territorial ARE considère que le choix du site, compte tenu des études et analyses effectuées, paraît soutenable et qu'il ne semble pas y avoir d'éléments montrant qu'une autre solution aurait été manifestement plus indiquée. Les parties ont, par la suite, persisté dans leurs motifs et conclusions respectifs.
Considérant en droit :
1.
Rendu en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF), dans une cause de droit public (art. 82 let. a LTF), l'arrêt attaqué peut en principe faire l'objet d'un recours en matière de droit public, aucune des exceptions figurant à l'art. 83 LTF n'étant réalisée.
La légitimation de la Commune de Cologny résulte de l'art. 89 al. 2 let. d LTF en relation avec l'art. 34 al. 2 let. c LAT. En effet, selon l'art. 89 al. 2 let. d LTF, ont qualité pour recourir les personnes, organisations et autorités auxquelles une autre loi fédérale accorde un droit de recours. Tel est le cas de l'art. 34 al. 2 let. c LAT qui permet aux cantons et aux communes de recourir à l'encontre des autorisations visées aux art. 24 à 24d LAT, à savoir pour des constructions sises, comme en l'espèce, hors zone à bâtir.
Les autres conditions de recevabilité sont réunies, si bien qu'il y a lieu d'entrer en matière sur le recours.
2.
A l'appui de son recours, la commune recourante a produit un courriel du 27 avril 2021, et ses annexes (dont le procès-verbal d'une séance du 19 avril 2021 " GeniLac Conduites lacustre Té GLN Mont-Blanc "), dans lequel l'ingénieur cantonal du canton de Genève informait le Conseil administratif de la Commune de Cologny que les SIG seraient sur le point de demander une autorisation de construire pour une autre phase du chantier GeniLac.
Aux termes de l'art. 99 al. 1 LTF, aucun fait nouveau ni preuve nouvelle ne peut être présenté à moins de résulter de la décision de l'autorité précédente. Dès lors, les pièces produites par la recourante, en tant qu'elles sont ultérieures à l'arrêt attaqué, sont irrecevables et il n'en sera pas tenu compte. Quoi qu'il en soit, ces pièces n'étaient de toute manière pas de nature à influer sur le sort de la présente procédure, l'autorisation querellée étant strictement limitée à une autorisation pour une durée de 24 mois (cf. consid. 4.3 ci-dessous).
3.
Dans un grief d'ordre formel qu'il convient d'examiner en premier lieu, la commune recourante invoque une violation de son droit d'être entendue. Elle estime que la cour cantonale aurait, de façon arbitraire, refusé de procéder à une expertise judiciaire portant sur l'analyse d'éventuels sites alternatifs d'implantation du chantier, l'expertise A._ n'étant à ses yeux pas suffisante au sens de l'art. 24 LAT.
3.1. Garanti à l'art. 29 al. 2 Cst., le droit d'être entendu comprend notamment le droit pour l'intéressé d'offrir des preuves pertinentes, d'obtenir qu'il soit donné suite à ses offres de preuves pertinentes et de participer à l'administration des preuves essentielles lorsque cela est de nature à influer sur la décision à rendre (ATF 145 I 73 consid. 7.2.2.1 et les références citées). L'autorité peut cependant renoncer à procéder à des mesures d'instruction lorsque les preuves administrées lui ont permis de forger sa conviction et que, procédant d'une manière non arbitraire à une appréciation anticipée des preuves qui lui sont encore proposées, elle a la certitude que ces dernières ne pourraient l'amener à modifier son opinion (ATF 145 I 167 consid. 4.1 et les arrêts cités). En matière d'appréciation des preuves et d'établissement des faits, l'autorité tombe dans l'arbitraire lorsqu'elle ne prend pas en compte, sans raison sérieuse, un élément de preuve propre à modifier la décision, lorsqu'elle se trompe manifestement sur son sens et sa portée, ou encore lorsque, en se fondant sur les éléments recueillis, elle en tire des constatations insoutenables (ATF 143 IV 500 consid. 1.1; 134 V 53 consid. 4.3). Dans ce contexte, la partie recourante est soumise aux exigences de motivation accrue de l'art. 106 al. 2 LTF (cf. ATF 146 I 62 consid. 3).
3.2. En l'espèce, le Tribunal cantonal a rejeté la demande d'expertise judiciaire formée par la commune recourante. Il relevé que la recourante avait produit l'expertise A._ qu'elle avait co-commandée et qu'elle avait contribué à définir le cahier des charges des experts et les questions auxquelles ces derniers devaient répondre. Elle n'avait de plus pas émis de critiques à l'encontre de cette expertise devant le TAPI. L'instance précédente a considéré que cette étude, fouillée, établissait un certain nombre de faits et que, dans ces conditions, le dossier comprenait tous les éléments de faits pertinents à l'issue du litige sans qu'il fût nécessaire d'ordonner une expertise judiciaire.
Le Tribunal cantonal ayant procédé à l'examen anticipé du moyen de preuve demandé par la commune recourante, cette dernière devait démontrer, conformément aux exigences accrues de motivation rappelées ci-dessus (cf. consid. 3.1 in fine), en quoi cette appréciation ayant conduit à refuser d'ordonner une expertise judiciaire serait arbitraire. Or, la recourante se contente d'affirmer sur un mode appellatoire qu'une telle expertise s'imposerait dès lors que l'expertise A._ reposerait sur des caractéristiques fixées par les SIG et qu'il existerait, quitte à revoir les dimensions des conduites lacustres, de nombreux sites adéquats en zone constructible; la Commune n'évoque toutefois aucun site, hormis celui de Corsier-Port. Ce faisant, la Commune ne discute pas l'argumentation développée par l'instance précédente pour écarter sa requête d'expertise judiciaire. En particulier, la recourante ne démontre pas qu'elle aurait critiqué l'expertise A._ devant le TAPI. Elle méconnaît en outre que cette expertise a procédé à l'examen d'alternatives de chantier avec des caractéristiques différentes (dont des tronçons de conduite plus courts). En définitive, la recourante ne démontre pas que les juges cantonaux auraient procédé à une appréciation anticipée des preuves entachée d'arbitraire en renonçant à ordonner une expertise judiciaire. Les juges cantonaux ont par ailleurs exposé que le site retenu pour le chantier litigieux résultait également d'autres études (cf. consid. 4.2 et 4.3 ci-dessous). En tout état de cause, le Tribunal de céans ne discerne pas en quoi le raisonnement précité des juges cantonaux serait insoutenable. La Cour de justice pouvait donc, sans violer le droit d'être entendu de la commune recourante, renoncer à ordonner une expertise judiciaire. Le grief doit donc être écarté.
4.
La commune recourante se plaint d'une appréciation arbitraire des faits et de la violation de l'art. 24 let. a et b LAT, ainsi que de l'art. 3 OAT.
4.1. L'art. 24 LAT régit les exceptions prévues hors de la zone à bâtir. Selon cette disposition, des autorisations peuvent être délivrées pour de nouvelles constructions ou installations ou pour tout changement d'affectation, en dérogation à l'art. 22 al. 2 let. a LAT, lorsque sont réunies deux conditions. D'une part, l'implantation de ces constructions ou installations hors de la zone à bâtir est imposée par leur destination (let. a). D'autre part, aucun intérêt prépondérant ne s'y oppose (let. b). Ces conditions sont cumulatives (arrêt 1C_131/2019 du 17 juin 2019 consid. 3.2; RUDOLF MUGGLI, in Commentaire pratique LAT: construire hors zone à bâtir, Aemisegger/Moor/Ruch/Tschannen [éd.], 2017, n. 20 ad art. 24 LAT).
L'implantation d'une construction est imposée par sa destination au sens de l'art. 24 let. a LAT, lorsqu'un emplacement hors de la zone à bâtir est dicté par des motifs techniques, des impératifs liés à l'exploitation d'une entreprise, la nature du sol ou lorsque l'ouvrage est exclu de la zone à bâtir pour des motifs particuliers. Il suffit que l'emplacement soit relativement imposé par la destination: il n'est pas nécessaire qu'aucun autre emplacement n'entre en considération. Il doit toutefois exister des motifs particulièrement importants et objectifs qui laissent apparaître l'emplacement prévu plus avantageux que d'autres endroits situés à l'intérieur de la zone à bâtir (ATF 141 II 245 consid. 7.6.2; 136 II 214 consid. 2.1; plus récemment arrêt précité 1C_131/2019 consid. 3.2.1). Seuls des critères objectifs sont déterminants, à l'exclusion de préférences dictées par des raisons de commodité ou d'agrément (cf. ATF 136 II 214 consid. 2.1; 129 II 63 consid. 3.1; arrêt 1C_74/2018 du 12 avril 2019 consid. 2.1).
L'examen du caractère relativement imposé par sa destination de l'emplacement implique une pesée de l'ensemble des intérêts en présence (cf. art. 3 OAT), pesée qui se recoupe avec celle imposée par l'art. 24 let. b LAT (ATF 141 II 245 consid. 7.6.2; arrêt 1C_292/2019 du 12 mai 2020 consid. 5.2). L'application du critère de l'art. 24 let. a LAT doit toutefois être stricte, dès lors qu'elle contribue à l'objectif de séparation du bâti et du non-bâti (ATF 124 II 252 consid. 4a; encore récemment arrêts 1C_50/2020 du 8 octobre 2020 consid. 7.5.1; 1C_131/2019 précité consid. 3.2.1 et les références citées; sur le principe de la séparation de l'espace bâti et non bâti, voir arrêt précité 1C_50/2020 consid. 8.1.1).
4.2. En l'espèce, la cour cantonale a constaté que les parcelles concernées par l'autorisation étaient situées hors zone à bâtir dans une zone protégée au sens des art. 17 LAT et 29 al. 1 let. a et i de la loi cantonale d'application de la loi fédérale sur l'aménagement du territoire du 4 juin 1987 (LaLAT; RS/GE L 1 30), et qu'il n'était pas contesté que le chantier litigieux devait être situé en bordure du lac, compte tenu du type de travaux à effectuer. Elle a ensuite souligné que différentes études avaient examiné les alternatives possibles quant au lieu d'implantation du chantier sur les rives, soit principalement le rapport final de l'ELPMAL du 15 juillet 2014, celui de la société B._ " Installation de chantier lacustre STAP du Vengeron du 16 septembre 2019 ", la note de C._ SA et de D._ SA du 17 mars 2020 ainsi que l'expertise A._ du 10 juin 2020. L'instance précédente relevait que l'expertise A._, détaillée et fouillée, réalisée conjointement par les parties, soit l'OCEau, la Commune et les SIG, avait effectué une analyse cartographique exhaustive des rives genevoises du Léman. Cette analyse détaillait les avantages et inconvénients des sept sites d'implantation potentiels inventoriés, soit Corsier-Port, le quai de Cologny, le quai Gustave-Ador, le Reposoir, le Vengeron, le Creux-de-Genthod et Port-Choiseul. Seul un site se situait en zone à bâtir, soit Corsier-Port; il était toutefois exclu du choix définitif, la longueur du quai étant inférieure à 90 m, l'emprise terrestre nécessaire étant occupée par des bâtiments et la zone lacustre prise par des infrastructures portuaires ne permettant pas d'envisager l'implantation du chantier concerné; de surcroît, l'accès devrait s'effectuer sur 300 m par un chemin non adapté à un trafic significatif de poids lourds et l'espace disponible n'était pas adapté aux manoeuvres. L'expertise se prononçait également sur les caractéristiques des autres sites. Concernant celui du Vengeron, évoqué par la recourante, il était précisé qu'il n'était actuellement pas en zone à bâtir.
La cour cantonale a ajouté que les faits constatés par l'expertise de A._ étaient conformes à ceux relevés dans le rapport d'Implenia " Installation de chantier lacustre STAP du Vengeron du 16 septembre 2019 " et dans la note de C._ SA et D._ SA du 17 mars 2020 relative au choix du site d'implantation des installations lacustres. Elle relevait entre autres que C._ SA et D._ SA avaient précisé que le site du Vengeron, outre que l'accès à la rive pour les semi-remorques n'était pas possible, nécessiterait la construction d'un ponton sur le lac et qu'il était par ailleurs soumis à un régime de vents défavorable, notamment par temps de bise, impliquant des conséquences négatives sur le déroulement du chantier. Enfin, la cour cantonale a constaté que les aspects relatifs aux délais, coûts et risques avaient été évalués et pris en compte dans l'analyse des variantes possibles (dont notamment la pose de tronçons plus courts que 90 m) pour aboutir à la solution, concordante entre les différentes études, retenant le quai de Cologny comme la solution la plus adaptée pour le chantier litigieux.
En se fondant sur ces différentes études, la cour cantonale a conclu qu'il n'existait pas d'emplacement dans la zone à bâtir susceptible d'accueillir la construction projetée. Selon elle, compte tenu des caractéristiques techniques et des impératifs liés au projet GeniLac, le périmètre litigieux du quai de Cologny était imposé par sa destination. Il était en effet face à la prise d'eau et sur l'eau, disposait d'un accès pour les poids lourds, présentait une surface adaptée à l'assemblage et à l'immersion des tuyaux et était moins exposé aux vents que d'autres sites. L'instance précédente a ensuite procédé à une pesée des intérêts aux termes de laquelle elle a considéré que les intérêts publics poursuivis par le projet GeniLac en termes de politique énergétique et de développement durable étaient très importants et primaient l'intérêt de la commune à conserver l'usage de ses quais, la beauté naturelle du site, la végétation protégée des rives des parcelles concernées, ce d'autant plus que la construction litigieuse ne sera que temporaire, pour une durée de 24 mois, sur une surface relativement limitée et que le site sera remis en état à l'issue du chantier. La cour cantonale a ainsi confirmé la pesée des intérêts effectuée par le Département cantonal sur la base de nombreux préavis, extrêmement fouillés et détaillés.
Pour la cour cantonale, les deux conditions cumulatives posées par l'art. 24 let. a et b LAT permettant l'octroi d'une dérogation étaient réalisées en l'espèce.
4.3. La commune recourante conteste cette appréciation. Elle soutient que, selon l'expertise A._, il existerait au moins un site en zone à bâtir propre à accueillir le chantier litigieux, à savoir Corsier-Port; elle reproche à l'instance précédente d'avoir écarté ce site en raison de la longueur insuffisante des quais (90 m), alors qu'il serait possible de réaliser des tronçons de conduite plus courts que 90 m. La commune recourante se contente en l'espèce de discuter de manière appellatoire la question de la longueur des tronçons, sans tenir compte des autres éléments retenus par l'instance précédente en défaveur du site de Corsier-Port (accès inadapté au trafic significatif de poids lourds; espace disponible inadapté aux manoeuvres; emprise terrestre nécessaire occupée par des bâtiments; zone lacustre prise par des infrastructures portuaires). S'agissant du site du Vengeron, la recourante affirme qu'il devrait prochainement partiellement perdre son caractère de zone protégée pour devenir une zone industrielle et artisanale, permettant ainsi l'implantation du chantier litigieux. Ce faisant, la recourante ne se prononce pas non plus sur les désavantages de ce site mis en évidence par l'instance précédente (régime de vents défavorables; accès à la rive impossible pour les semi-remorques; construction nécessaire d'un ponton sur le lac). En outre, elle ne démontre pas non plus le caractère arbitraire du constat de l'instance précédente selon lequel le site du Vengeron n'est pas en zone constructible et que la date d'une éventuelle modification de zones - outre le fait qu'elle n'est pas certaine - n'est pas connue.
En l'occurrence, les arguments invoqués par la recourante ne permettent pas de remettre en cause l'appréciation étayée de l'instance précédente. Il ressort en effet de l'arrêt entrepris que la cour cantonale a, sur la base des études réalisées, pris en compte plusieurs sites d'implantation du chantier et a exposé de manière circonstanciée pour quelles raisons le site de Cologny, hors zone à bâtir, était imposé par la destination de l'installation litigieuse, à tout le moins pour une durée de 24 mois. On peut ici renvoyer au considérant 3d convaincant du jugement attaqué (art. 109 al. 3 LTF).
Enfin, la recourante critique la pesée des intérêts effectuée par l'instance précédente, en insistant sur le fait que l'installation du chantier durera, selon elle, plus longtemps que ce qui a été annoncé (chantiers subséquents pour le projet GeniLac). En l'occurrence, l'objet du litige est strictement limité à une autorisation pour une durée de 24 mois, de sorte que la critique de la recourante est vaine. Pour le surplus, l'appréciation des intérêts en présence effectuée par l'instance précédente - à laquelle on peut également renvoyer (cf. arrêt attaqué consid 3e à 3g) - apparaît complète et approfondie.
4.4. Dans ces conditions, l'instance précédente pouvait, à juste titre, considérer que l'installation litigieuse répondait aux conditions d'une autorisation dérogatoire au sens de l'art. 24 LAT. Mal fondé, le grief de la recourante est rejeté.
5.
Sur le vu de ce qui précède, le recours doit être rejeté, dans la mesure où il est recevable. Conformément à l'art. 66 al. 4 LTF, il n'est pas perçu de frais judiciaires. Les SIG, en tant qu'établissement de droit public genevois (art. 168 de la Constitution de la République et canton de Genève du 14 octobre 2012 [Cst./GE; RS 131.234 et RS/GE A 2 00]; art. 1 de la loi cantonale sur l'organisation des Services industriels de Genève du 5 octobre 1973 [LSIG; RS/GE L 2 35]), n'ont pas droit à des dépens dès lors qu'ils sont intervenus en leur qualité d'organisme chargé d'une tâche de droit public (cf. art. 68 al. 3 LTF; cf arrêts 1C_308/2018 du 9 octobre 2019 consid. 9; 1C_126/2015 du 5 novembre 2015 consid. 8).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté, dans la mesure où il est recevable.
2.
Il n'est pas perçu de frais judiciaires.
3.
Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties, au Département du territoire de la République et canton de Genève, à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre administrative, et à l'Office fédéral du développement territorial.
Lausanne, le 17 mars 2022
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président : Kneubühler
La Greffière : Arn