Électricité et chaleur à la demande
La Suisse a pour objectif de passer à un système énergétique zéro net d'ici 2050. Pour atteindre cet objectif, elle devra remplacer les combustibles fossiles par des énergies renouvelables. Le gouvernement suisse a également pris la décision d'abandonner progressivement l'énergie nucléaire. Par conséquent, ses plans de neutralité carbone nécessiteront non seulement l'électrification des transports et du chauffage au moyen de véhicules électriques et de pompes à chaleur, mais aussi des mesures pour compenser la perte de capacité de production nucléaire. Pour répondre à l'augmentation de la demande énergétique, la Suisse s'appuiera principalement sur les sources d'énergie hydraulique et photovoltaïque et, dans une moindre mesure, sur l'énergie éolienne.
Mais qu'en est-il des moments où le soleil ne brille pas et où le vent ne souffle pas? «Le réseau doit constamment compenser les fluctuations de la production renouvelable et adapter l'offre à la demande», explique Gabriela Hug, professeure au Laboratoire des systèmes électriques de l'ETH Zurich. Gabriela Hug dirige également l'Energy Science Center (ESC) de l'ETH Zurich, qui a récemment publié une modélisation montrant qu'un système d'énergie renouvelable est à la fois techniquement réalisable et économiquement viable. «Évidemment, ce ne sera pas simple», reconnaît Gabriela Hug. «Et sans un stockage d'énergie efficace, la transition vers les énergies renouvelables ne sera même pas possible.» Les systèmes de stockage d'énergie stabilisent le réseau, en fournissant la capacité nécessaire pour compenser la volatilité de la production des sources renouvelables telles que le solaire, l'éolien et l'hydraulique. Pour cela, il faut des technologies capables de convertir efficacement l'électricité et la chaleur en une forme qui peut être stockée, puis réintroduite dans le réseau en cas de besoin, que ce soit sur une base saisonnière ou minute par minute.
Si la Suisse commence à investir davantage dans le photovoltaïque, elle finira par produire plus d'électricité que ce dont elle a besoin à midi, un jour d'été. Pour que cette énergie solaire de midi soit disponible jour et nuit, elle a besoin de solutions de stockage à court terme. «Mais le plus grand défi de la Suisse est en fait le stockage à long terme», explique Gabriela Hug.
Le pays produit déjà trop peu d'électricité en hiver et dépend des importations pour couvrir la demande accrue - et ce déséquilibre saisonnier ne fera que s'intensifier à mesure que la transition vers les énergies renouvelables s'accélère. «Les centrales photovoltaïques, en particulier, génèrent un surplus d'électricité en été», explique Gianfranco Guidati, expert en modélisation des systèmes énergétiques à L'ESC. «Mais en hiver, le soleil est plus faible et les pompes à chaleur gardent les maisons chaudes - c'est à ce moment-là que nous constatons un écart entre l'offre et la demande d'énergie.»
La question clé pour la Suisse est de savoir comment stocker cet excédent d'énergie solaire entre l'été et l'hiver. La demande de systèmes de stockage étant clairement en hausse, Gabriela Hug affirme que l'approche la plus sûre consiste à investir à la fois dans les technologies établies et émergentes: «Nous n'avons pas encore trouvé la solution de stockage d'énergie parfaite».
Pourtant, le stockage de l'énergie ne doit pas être considéré comme une fin en soi, selon Gianfranco Guidati: «L'objectif de la Suisse est de parvenir à des émissions nettes de gaz à effet de serre nulles d'ici 2050. Le stockage est crucial, mais ce n'est pas le seul moyen de nous aider à atteindre cet objectif.» Selon lui, nous devrions exploiter les méthodes indirectes de stockage de l'énergie ainsi que les capacités de stockage physique. «Nous devons adopter une approche mixte», dit-il.
Stockage au fil de l'eau et pompage comme réserves tampon
Robert Boes, professeur d'ingénierie hydraulique à l'ETH Zurich, considère l'hydroélectricité comme l'épine dorsale du système électrique suisse: «L'hydroélectricité est notre principal atout en matière d'énergie verte, puisqu'elle représente environ 60% de notre production renouvelable. Sa capacité à stocker l'énergie joue également un rôle clé dans notre stratégie zéro net.»
Les centrales hydroélectriques au fil de l'eau canalisent l'eau directement dans les turbines génératrices d'électricité pour fournir de l'énergie renouvelable en charge de base. Ce type de centrales n'a pas de fonction de stockage, contrairement aux centrales à réservoir, qui peuvent stocker de l'eau pour fournir une capacité de production flexible à la demande. Les grands réservoirs des Alpes servent principalement à stocker l'énergie saisonnière. «L'eau de pluie et de fonte qu'ils recueillent au printemps et en été peut être utilisée pour produire de l'électricité en hiver», explique Robert Boes. Cependant, quelle que soit la quantité d'énergie produite par ces grands lacs, ils ne peuvent en aucun cas la stocker.
Seules les centrales à accumulation par pompage ont la capacité de stocker l'électricité. Pour ce faire, elles pompent l'eau d'un réservoir inférieur vers un réservoir supérieur, puis vident le réservoir supérieur à travers les turbines pour produire de l'électricité à la demande. Actuellement, la réserve hydroélectrique par pompage est la seule technologie éprouvée pour le captage et la libération de grandes quantités d'électricité. Elle offre des capacités de stockage puissantes et flexibles, ce qui en fait le choix idéal pour équilibrer la variabilité quotidienne et jour/nuit de la production d'électricité photovoltaïque. Néanmoins, sa capacité n'est pas assez étendue pour résoudre les variations saisonnières de la production d'électricité.
Une façon de réduire le déficit énergétique hivernal est de construire davantage de réservoirs, mais cette approche est controversée. De tels projets vont souvent à l'encontre des objectifs de conservation de la nature et se heurtent à des résistances. «Je ne pense pas que cette option soit très prometteuse», déclare Robert Boes. «L'hydroélectricité est une technologie mature et très efficace, mais on n'a pas accordé suffisamment d'attention aux aspects environnementaux tels que la gestion responsable de l'eau.»
Les chercheuses et chercheurs du Laboratoire d'hydraulique, d'hydrologie et de glaciologie (VAW) de l'ETH Zurich cherchent actuellement des moyens de rendre l'hydroélectricité plus écologique. Parmi les exemples, citons l'amélioration des tunnels de dérivation pour les sédiments et les échelles à poissons pour diriger les poissons en toute sécurité au-delà des entrées et des turbines des réservoirs. «L'hydroélectricité ne sera pas largement acceptée tant qu'elle ne fera pas davantage pour protéger la biodiversité», déclare Robert Boes.
Stockage décentralisé à petite échelle
Dans le réseau lui-même, les batteries peuvent agir comme une sorte d'unité miniature de pompage-turbinage. Si, à l'avenir, nous disposons de systèmes plus décentralisés produisant de l'électricité sur les toits des maisons, nous aurons besoin de dispositifs de stockage distribués à petite échelle pour assurer l'équilibrage du réseau local. Tout comme les systèmes de pompage-turbinage, les batteries peuvent être utilisées pour équilibrer rapidement la production et la demande. «Comme la taille des batteries peut être facilement adaptée à l'application, elles peuvent être utilisées comme dispositifs de stockage d'énergie décentralisés dans les bâtiments», explique Vanessa Wood, professeur à l'ETH Zurich.
Associées à des panneaux photovoltaïques, les batteries peuvent soulager le réseau en permettant le stockage local de l'électricité excédentaire pendant quelques minutes ou quelques heures. Toutefois, si toute l'énergie solaire produite aux heures de pointe dans les zones résidentielles devait alimenter le nombre limité de centrales hydroélectriques à accumulation par pompage dans les montagnes, cela pourrait entraîner des goulets d'étranglement dans le réseau.
Sur le marché en pleine évolution des batteries pour les maisons et les véhicules électriques, les derniers développements incluent les premières batteries à l'échelle communautaire conçues pour équilibrer les fluctuations de puissance à court terme au niveau du quartier. «La prochaine étape clé consiste à rendre les batteries encore plus efficaces afin qu'elles puissent effectuer un plus grand nombre de cycles de charge avant de perdre leurs performances», explique Vanessa Wood, qui mène des recherches pour comprendre les limites des batteries existantes et démontrer de nouveaux concepts de batteries. «Dans le même temps, nous devons trouver des substituts aux matières premières problématiques et développer des méthodes pour recycler les batteries à faible coût, sans utiliser trop d'énergie.» Des chercheuses et chercheurs du monde entier travaillent déjà sur des solutions.
Dans un système énergétique idéal, nous utiliserions l'excédent d'énergie solaire produit en été pour répondre à la demande accrue de chauffage en hiver. Le stockage de grandes quantités d'électricité sur une période de plusieurs mois n'est pas encore financièrement viable, mais il existe un moyen de transférer le soleil de l'été aux mois d'hiver: le stockage de l'énergie thermique. «Une technologie rentable est déjà disponible, et elle est bien établie dans des pays comme le Danemark», explique Gianfranco Guidati. Pourtant, le stockage de l'énergie thermique reste un sujet relativement négligé en Suisse.
La technologie du stockage saisonnier de l'énergie thermique (STES) permet de capter la chaleur en été et de la restituer en hiver. Elle nécessite de grands réservoirs de chaleur tels que des bassins, des cuves ou des couches aquifères souterraines. Ceux-ci stockent l'eau chaude qui est chauffée en été au moyen de pompes à chaleur et de l'énergie solaire excédentaire. En déplaçant la production de chaleur vers les mois d'été, les systèmes STES réduisent la demande d'électricité en hiver et contribuent à réduire la fracture énergétique. Gianfranco Guidati pense que le stockage de l'énergie thermique jouera un rôle important en Suisse à l'avenir.
Stockage dans les vecteurs énergétiques
Il n'existe qu'un seul moyen de stocker l'électricité indéfiniment, du moins dans un avenir prévisible. «Si nous arrivons un jour, en été, à un point où nous avons épuisé toutes les options de stockage à court terme et que nous disposons encore d'un surplus d'électricité», déclare Gianfranco Guidati, «alors - et seulement alors - nous devrions envisager de la convertir en un vecteur énergétique stockable.» Il fait référence, bien sûr, au grand débat sur l'hydrogène.
L'idée est d'utiliser l'excédent d'énergie pour électrolyser l'eau en hydrogène et en oxygène. L'hydrogène pourrait ensuite être stocké sous une forme appropriée et reconverti en chaleur et en électricité en hiver au moyen d'une turbine à gaz ou d'une pile à combustible. Une autre solution consiste à combiner l'hydrogène avec le CO2 capté pour produire du méthane synthétique. Ce dernier présente non seulement une densité énergétique plus élevée, mais peut également être directement injecté dans le réseau de gaz existant. Il suffit d'une étape supplémentaire pour obtenir des carburants liquides neutres en carbone pour l'aviation ou la navigation.
«Pour l'instant, aucune de ces méthodes n'est établie et beaucoup ne sont pas financièrement viables», précise Gabriela Hug. Les syngases pourraient certainement servir de moyen de stockage à long terme pour l'énergie solaire produite en été, mais la plupart des méthodes utilisées pour les reconvertir en chaleur et en électricité sont inefficaces: «La manière la plus efficace d'utiliser l'électricité excédentaire est de la transférer directement vers un autre canal, comme la recharge des véhicules électriques», explique Gabriela Hug. Néanmoins, elle considère que les carburants de synthèse sont viables pour les applications difficiles à électrifier.
Batteries gravitationnelles et stockage d'énergie par air comprimé
Lorsqu'il s'agit de stockage d'énergie à court terme, les centrales hydroélectriques à accumulation par pompage et les batteries ne sont pas la seule option. Les batteries gravitaires stockent l'énergie potentielle et la convertissent ensuite en électricité, tout comme les systèmes de pompage-turbinage. Mais au lieu d'utiliser de l'eau, elles stockent l'énergie potentielle dans une masse qui est élevée et abaissée par une grue, par exemple.
Les systèmes de stockage de l'énergie par air comprimé constituent une autre solution, bien que légèrement moins efficace. Ils fonctionnent en pompant de l'air dans un réservoir ou une cuve pour produire de l'air comprimé, qui peut ensuite être utilisé pour entraîner une turbine à gaz afin de compenser rapidement les déséquilibres de charge du réseau. Bien qu'une certaine quantité de chaleur soit perdue pendant la compression, la majeure partie de la chaleur produite peut être récupérée en la stockant et en la rendant à nouveau disponible lors du déchargement.
Un volant d'inertie est une option plus efficace, mais aussi plus coûteuse: il est plus proche des batteries en termes de capacité, mais il stocke l'énergie sous forme d'énergie cinétique rotative pendant quelques minutes seulement, là encore pour contribuer à la stabilisation des réseaux électriques.
Réseaux électriques intelligents
Tous les chercheurs et chercheuses tiennent à souligner que les systèmes de stockage physique ne sont pas la seule option. Il existe également d'autres approches qui agissent indirectement comme le stockage et contribuent à rendre le système plus flexible. Par exemple, des réseaux électriques numérisés et automatisés pourraient surveiller la production et la consommation en temps réel afin d'utiliser au mieux les ressources disponibles. «À l'avenir, le contrôle des réseaux intelligents nous permettra d'exploiter les réseaux électriques en se rapprochant de leurs limites maximales», explique Gabriela Hug, experte en réseaux. Si l'on y parvient, le système sera plus efficace et les réserves d'exploitation seront moins nécessaires.
La demande doit également devenir plus flexible afin que nous puissions tirer le meilleur parti de l'électricité disponible à tout moment. La gestion intelligente de la charge peut contribuer à réduire la nécessité de stocker l'électricité, explique Gianfranco Guidati, citant l'exemple de l'e-mobilité: «Les véhicules électriques sont des batteries mobiles qui peuvent contribuer à absorber les pics de production photovoltaïque pendant la journée.» Pour cela, il faut déployer des bornes de recharge dans les endroits où les véhicules passent généralement la journée, comme les lieux de travail, les parkings et les places de stationnement proches du centre-ville.
Énergie importée
Selon les calculs de l'ESC, la Suisse devra également développer sa production d'électricité en hiver. Outre la constitution de réserves hydroélectriques, il faudra investir dans des centrales photovoltaïques alpines, dans la géothermie ou dans des centrales à gaz fonctionnant au biogaz ou au gaz de synthèse. Gabriela Hug rejette cependant l'idée d'autosuffisance, car toute tentative de la Suisse de couvrir elle-même ses besoins en électricité serait à la fois inefficace et très coûteuse.
La Suisse continuera donc à produire moins d'électricité qu'elle n'en a besoin, ce qui signifie qu'elle restera dépendante des importations d'énergie. «Nos modèles montrent qu'un système énergétique sûr et abordable nécessite également des transferts d'énergie fluides et efficaces vers et depuis les pays voisins», explique Gabriela Hug.
Contrairement à la Suisse, l'Europe du Nord dispose de beaucoup d'électricité en hiver, car des pays comme le Danemark ont beaucoup investi dans la production d'énergie éolienne, qui atteint son maximum en hiver. La Suisse pourrait donc importer de l'énergie éolienne en hiver et exporter de l'énergie solaire sous forme d'énergie hydraulique de pompage en été pour corriger rapidement les déséquilibres de charge du réseau.
Il s'agit d'une approche judicieuse, car tout le monde est gagnant lorsque les pays équilibrent leurs différentes capacités de production grâce au commerce de l'électricité. Toutefois, l'absence d'un accord sur l'électricité rend difficile le commerce transfrontalier de l'électricité avec l'UE. «C'est pourquoi l'accès réglementé au marché européen de l'électricité serait une étape importante pour la Suisse», explique Gabriela Hug.
Pour réussir sa transition vers les énergies renouvelables, la Suisse aura besoin non seulement d'un large éventail de technologies, mais aussi d'un ensemble de solutions allant de la production décentralisée d'énergie aux accords commerciaux internationaux.
