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Un écosystème en réseau pour la recherche énergétique
ReMaP - Les fondements du système énergétique de demain
Sur la voie d'un système énergétique durable, les technologies de conversion flexible et de stockage efficace de l'énergie prennent de plus en plus d'importance. Afin d'examiner ces questions urgentes de manière réaliste, l'EPFZ, l'Empa et l'Institut Paul Scherrer développent depuis 2019 une nouvelle plate-forme de recherche, ReMaP. Les premiers résultats sont maintenant disponibles.
Le système énergétique actuel de la Suisse repose, d'une part, sur l'importation de combustibles 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 atteint les consommateurs via le réseau de transport et de distribution. Les lacs de stockage, le 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 est susceptible de changer fondamentalement au cours des prochaines décennies. La loi sur l'énergie, entrée en vigueur en 2018, stipule que la Suisse doit progressivement abandonner l'énergie nucléaire et utiliser de plus en plus les énergies renouvelables. En outre, les bâtiments, l'industrie et la mobilité doivent devenir plus efficaces sur le plan énergétique. Les émissions nettes de CO2 doivent être nulles en 2050. Cela pourrait en outre augmenter la consommation d'électricité, par exemple par 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 (actuellement environ 35 %) par des énergies renouvelables. Le photovoltaïque jouera un rôle majeur dans ce domaine, tandis que l'énergie éolienne jouera un rôle relativement mineur. Ces deux sources d'énergie sont volatiles car elles produisent des quantités variables d'énergie selon les saisons et les conditions météorologiques. Afin d'aligner la production et la demande, il faut des technologies capables de convertir les formes d'énergie, de les stocker efficacement et de les rendre à nouveau disponibles sous la forme requise. De cette façon, l'énergie solaire excédentaire de l'été pourrait être utilisée pour couvrir la demande accrue en hiver. Avec des technologies de conversion et de stockage flexibles, associées à des solutions numériques, le couplage dit sectoriel deviendrait de plus en plus possible. Par exemple, l'hydrogène pourrait alors être produit à partir de l'électricité disponible à bas prix des systèmes photovoltaïques pour alimenter les camions. Le réseau électrique de l'avenir sera plus décentralisé, plus souple et plus interconnecté.
Un écosystème pour la recherche énergétique
Il doit en être de même pour la recherche qui fournit les bases. "Si vous faites des recherches sur une seule technologie de manière isolée, vous ne pouvez faire qu'une déclaration limitée", déclare John Lygeros, professeur à l'Institut d'automatique de l'ETH Zurich. "Il faut un écosystème en réseau déjà en cours de recherche pour tester toutes les technologies possibles en interaction les unes avec les autres." John Lygeros dirige l'un des dix projets de recherche de la plateforme ReMaP ("Renewable Management and Real-Time Control Platform"), qui est en partie financée par l'Office fédéral de l'énergie et a été 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 connectées et développées dans le cadre du projet ReMaP. Ces infrastructures comprennent actuellement les plates-formes ESI du PSI et ehub de l'Empa. Alors que l'ESI présente, entre autres, diverses technologies de conversion de l'électricité en gaz, ehub offre la possibilité d'étudier les flux d'énergie dans les secteurs résidentiel, professionnel et de la mobilité. Il utilise les démonstrateurs NEST - un "quartier vertical" constamment animé pour la construction durable - et move, une station-service pour les carburants issus des énergies renouvelables.
Au cœur de ReMaP se trouvent le cadre de contrôle et le cadre de simulation. Ils permettent aux utilisateurs de relier en temps réel des appareils physiques de différents endroits ainsi que des modèles numériques d'appareils pour leurs expériences et pour étudier leurs interactions. Les données des expériences sont stockées dans une base de données centrale. Deux partenaires industriels sont également impliqués dans le développement des logiciels nécessaires : L'entreprise smart grid solutions et la spin-off de l'ETH, Adaptricity. Andreas Haselbacher, professeur au département de génie mécanique et des procédés de l'ETH et responsable du projet ReMaP, déclare : "Pour l'instant, il n'existe pas dans le monde de plateformes de recherche comparables qui permettent de comprendre les divers systèmes énergétiques à l'échelle d'un quartier, tant en termes de matériel que de logiciels".
La flexibilité comme objectif principal
John Lygeros et sa doctorante Marta Fochesato, par exemple, peuvent utiliser à la fois un électrolyseur de l'Institut Paul Scherrer et une station de remplissage d'hydrogène de l'Empa de l'ETH Zurich. Dans l'électrolyseur, l'électricité est utilisée pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène. Les deux scientifiques veulent optimiser le stockage de l'énergie sous forme d'hydrogène. Ils étudient notamment la manière la plus rentable de répondre à une demande spécifique d'hydrogène. En se basant sur le rendement, la dynamique thermique et le comportement de contrôle de l'électrolyseur, ils ont développé un contrôleur numérique optimal, c'est-à-dire un algorithme qui décide chaque minute, en fonction du prix actuel de l'électricité, à quelle sortie l'électrolyseur doit fonctionner. Si l'électricité est chère, l'hydrogène n'est produit que lorsqu'il y a une demande aiguë - par exemple, lorsqu'une voiture doit être ravitaillée en hydrogène. S'il est bon marché, l'appareil produit de l'hydrogène et le stocke. Les coûts de l'électricité sont donc moins élevés que si l'électrolyseur fonctionne à la demande. L'aspect crucial de l'expérience est de rendre la conversion et le stockage flexibles de l'énergie aussi efficaces que possible - afin d'apporter en fin de compte une contribution importante au problème encore non résolu du stockage saisonnier économique de l'énergie solaire ou éolienne. "Intégrer les infrastructures de différentes institutions dans une même expérience est un défi. Le ReMaP est unique en ce sens qu'il permet une collaboration à cette échelle, comme ici entre l'EPF, l'Empa et le PSI", explique John Lygeros.
Un autre projet ReMaP se concentre sur les centrales de cogénération. Ceux-ci sont souvent constitués d'un moteur à combustion et d'un générateur qui produit de l'électricité. Cela peut être réinjecté dans le système lorsqu'il y a un excédent. La chaleur résiduelle issue de la combustion est utilisée, par exemple, pour chauffer des bâtiments. Une chaleur jusqu'à 750° serait disponible. Mais pour chauffer un bâtiment, on l'utilise à environ 80°, ce qui signifie qu'un potentiel d'utilisation considérable est perdu, car une température plus élevée peut être utilisée de manière plus souple et plus efficace. Konstantinos Boulouchos et Christian Schürch, de la chaire d'aérothermie de l'EPF de Zurich, poursuivent l'approche consistant à utiliser une partie de la chaleur perdue au lieu de chauffer pour provoquer une réaction chimique dans un reformeur à vapeur et produire ce qu'on appelle un gaz de synthèse, un mélange d'hydrogène, de méthane et de dioxyde de carbone. Cela réduit la capacité de chauffage de l'unité de cogénération, mais la centrale produit ainsi une forme d'énergie de meilleure qualité qui peut être utilisée de manière plus flexible : le gaz de synthèse est un vecteur d'énergie qui peut être stocké 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 bâtiment ML sur le campus "Zentrum" de l'EPF, mais elle est intégrée au réseau de l'Empa - toutes les données y sont traitées. "En nous appuyant sur la plate-forme ehub de l'Empa, nous pouvons intégrer d'autres composants à différents endroits pour le ReMaP et ainsi visualiser des systèmes distribués de manière intégrée et en réseau", explique Philipp Heer, responsable ehub de l'Empa.
Ouvert à d'autres partenaires
Le ReMaP est toujours en construction. Ces expériences montrent que d'autres systèmes physiques tels que les usines de biogaz ou les centrales hydroélectriques pourraient un jour être intégrés à la plate-forme, même s'ils ne sont situés sur aucun des trois sites. Le chef de projet Andreas Haselbacher se tourne vers l'avenir : "Nous sommes très intéressés par la participation d'autres partenaires - qu'il s'agisse d'universités, d'écoles supérieures ou d'acteurs de l'industrie". Après tout, l'objectif déclaré de ReMaP n'est pas seulement la recherche et le développement, mais aussi l'éducation et la communication : la plate-forme doit aider à former la prochaine génération de chercheurs et de spécialistes, tout en offrant des aperçus du système énergétique du futur à la société au sens large ainsi qu'aux décideurs de la politique et de l'industrie. Detlef Günther, vice-président de la recherche à l'ETH, se réjouit : "Afin de faire progresser plus rapidement la recherche et de réaliser finalement la transition énergétique, nous devons travailler en réseau et de manière interdisciplinaire et impliquer l'industrie autant que les politiciens et le public. ReMaP est un bon exemple de la manière dont le domaine des EPF montre la voie à suivre sur ces questions".
A l'événement "ReMaP : Situation actuelle et perspectives"
Un événement fournira des informations sur l'état actuel du développement de ReMaP ainsi que sur quatre de ses projets de recherche en cours. Les chercheurs des institutions participantes ainsi qu'un conférencier de l'industrie donneront ainsi un aperçu du système énergétique du futur. L'événement aura lieu en ligne.
Pour plus d'informations sur l'événement et l'inscription, consultez le site : https://remap.ch/news.