Renforcer le réseau électrique suisse avec du cuivre et des cerveaux

Au cours des derniers mois, la Suisse a posé des jalons importants en matière de politique énergétique. Après que le peuple suisse a clairement approuvé l'abandon des combustibles fossiles avec la loi sur la protection du climat à l'été 2023 et qu'il a clairement confirmé cette année la loi sur l'électricité pour l'expansion rapide des énergies renouvelables, l'objectif zéro net est désormais également inscrit dans la loi : La Suisse ne produira plus de gaz à effet de serre supplémentaires d'ici 2050 au plus tard.

Pour y parvenir, elle doit électrifier les transports et les systèmes de chauffage, compenser l'abandon progressif de l'énergie nucléaire et couvrir la demande croissante d'électricité grâce à l'énergie hydraulique, photovoltaïque et éolienne. L'avenir énergétique de ce pays sera donc également neutre sur le plan climatique, renouvelable et électrique.

Pas de transition énergétique sans un réseau électrique solide

Si la Suisse mise de plus en plus sur le photovoltaïque et l'éolien, le réseau devra équilibrer en permanence la production fluctuante des énergies renouvelables et s'adapter à la demande. Or, les réseaux existants ne sont pas conçus pour cela. Le manque de capacité du réseau entraîne donc rapidement des goulets d'étranglement.

«C'est pourquoi nos réseaux doivent être étendus et convertis en fonction de la croissance des énergies renouvelables», explique Christian Schaffner, directeur de l'ESC de l'ETH Zurich. Sans un réseau solide et flexible, l'électricité provenant des énergies renouvelables ne peut tout simplement pas être intégrée. «L'expansion et la conversion du réseau électrique sont donc inévitables», explique Christian Schaffner.

Dans quelle mesure le réseau électrique suisse est-il bien équipé pour la transition énergétique ? La question s'adresse d'abord à Gabriela Hug. Elle est professeure de systèmes d'énergie électrique à l'ETH Zurich et dirige l'ESC. «Il faut faire la différence entre le réseau de transport et le réseau de distribution en Suisse», explique Gabriela Hug.

Un bon réseau dans le voisinage

En tant que pays de transit pour l'électricité, la Suisse dispose d'un solide réseau de transport, dont Swissgrid est responsable. Au niveau le plus élevé du réseau, avec les lignes à très haute tension, le pays est très bien relié aux pays voisins et intégré dans le commerce européen. Les augmentations de tension prévues renforceront les lignes critiques.

Environ deux tiers des 6700 kilomètres du réseau de transport ont actuellement entre 50 et 80 ans et devront être remplacés dans les années à venir.

Toutefois, Gabriela Hug estime qu'il faut surtout agir aux niveaux inférieurs du réseau. «L'énergie solaire décentralisée sur le toit de la maison et les voitures électriques dans le garage sollicitent principalement les réseaux locaux à basse tension», explique le spécialiste des réseaux électriques.

La transition énergétique s'opère dans le réseau de distribution

La plupart des systèmes photovoltaïques et des pompes à chaleur, ainsi que toutes les voitures électriques, fonctionnent sur les niveaux de réseau les plus bas, le réseau à basse tension ou réseau de distribution (220 à 400 V). Or, ces réseaux n'ont pas été conçus pour une alimentation électrique dynamique et décentralisée.

Néanmoins, les réseaux de distribution relient de plus en plus des systèmes de production apparemment synchronisés à des consommateurs puissants et alimentent des flux d'électricité de plus en plus importants à l'entrée et à la sortie. Si une grande quantité d'énergie photovoltaïque est produite, une surtension se produit localement, tandis qu'une plus grande consommation par les pompes à chaleur et les voitures électriques entraîne une sous-tension. Dans les deux cas, des surcharges locales peuvent se produire dans le réseau. Et cela coûte de l'argent.

Turhan Hilmi Demiray ne connaît que trop bien le problème. Il dirige le Centre de recherche sur les réseaux énergétiques (FEN), qui s'occupe spécifiquement des questions liées au secteur énergétique suisse au sein de l'ESC. Cet été, il a co-rédigé une étude pour l'Association des entreprises électriques suisses sur la nécessité d'étendre et de moderniser les réseaux de distribution.

La flexibilité permet d'éviter l'expansion du réseau

«Nous avons actuellement beaucoup de projets avec des opérateurs de réseaux de distribution. Ils veulent tous savoir comment planifier leurs réseaux de manière rentable pour l'avenir», explique Turhan Hilmi Demiray. Il existe deux approches du renforcement des réseaux : le cuivre et Grips.

Le cuivre correspond à l'expansion traditionnelle du réseau : pose de nouvelles lignes dans le sol, renforcement du câblage et des transformateurs comme par le passé. Cette méthode est coûteuse, mais efficace et parfois inévitable. Les gestionnaires de réseau s'orientent souvent vers la charge maximale et surdimensionnent les projets physiques, ce qui rend l'extension du réseau encore plus coûteuse.

Grips est synonyme d'intelligence et de flexibilité : La numérisation et les concepts intelligents de contrôle des flux d'électricité jouent un rôle décisif à cet égard. La flexibilité est assurée par un apport limité de photovoltaïque et une réduction des pics de charge des pompes à chaleur et des véhicules électriques, combinés à des batteries domestiques respectueuses du réseau. Cela permet de stabiliser le réseau électrique et de réduire considérablement les coûts d'expansion.

Des sources de flexibilité convoitées

Toutefois, le principe s'applique à l'ensemble du réseau électrique : si la production fluctue typiquement de minute en minute ou de manière saisonnière, le réseau doit devenir plus flexible à ces échelles de temps.

Turhan Hilmi Demiray explique : «Les batteries, le pompage-turbinage, les lacs alpins et le stockage saisonnier de la chaleur pour l'hiver sont alors des ressources d'équilibrage idéales. Mais les approches smart grid pour un contrôle intelligent du réseau et de la consommation, ainsi que l'intégration complète de la Suisse dans le marché européen de l'électricité sont également des ressources essentielles qui permettront d'alléger la charge», explique le spécialiste des réseaux électriques.

Dans une étude très remarquée commandée par le gouvernement fédéral, le centre de recherche Energy Grids 2022 a examiné la sécurité d'approvisionnement dans le secteur de l'électricité en Suisse et en Europe. L'analyse a montré que trois aspects sont déterminants pour la sécurité d'approvisionnement de la Suisse : La production flexible d'électricité à partir de l'énergie hydraulique, le commerce de l'électricité (importations en hiver) et le réseau électrique très bien intégré avec l'Europe. «Il s'agit là de sources de flexibilité très précieuses», déclare le président de la Commission européenne.

Dans le cadre du projet SWEET-PATHFNDR financé par l'OFEN, les chercheuses et chercheurs de l'ESC de l'ETH Zurich collaborent avec les entreprises de distribution d'électricité et les communes pour trouver des moyens d'utiliser au mieux les options de flexibilité, la numérisation et le couplage des secteurs.

Dans ce contexte, ils et elles étudient également dans quelle mesure l'e-mobilité pourrait contribuer à la flexibilité du réseau électrique suisse - par exemple, si les e-cars sont chargés lorsqu'il y a suffisamment d'électricité disponible. Des prix de l'électricité dynamiques pourraient aider à mettre en place les bonnes incitations.

Les technologies sont en demande

Turhan Hilmi Demiray résume la situation : «Plus le réseau électrique est intelligent et flexible, mieux il peut équilibrer les pics de production dus au soleil, à l'eau et au vent, et moins il a besoin de s'étendre physiquement.»

Il n'est pas possible de le remplacer complètement. «Même si nous utilisons toutes les flexibilités, il y aura toujours un besoin d'expansion», déclare Gabriela Hug en souriant.

«Le réseau électrique suisse est tout à fait apte à fonctionner pour un système électrique futur. Mais il faut investir à la fois dans l'expansion physique du réseau et dans de nouveaux concepts de contrôle. Les deux sont importants», ajoute Christian Schaffner.