Le monde de l'énergie, historiquement basé sur les énergies fossiles, vit actuellement un changement en profondeur. Le dérèglement climatique et la préoccupation grandissante à ce sujet poussent tous les acteurs de la branche à se tourner vers des sources décarbonées et renouvelables. Si le domaine de l'électricité bénéficie probablement de la plus importante couverture médiatique, il n'est pas le seul concerné. Les secteurs de la mobilité et du chauffage des bâtiments le sont au moins tout autant, si ce n'est davantage.
Cette transition énergétique implique des changements également pluridisciplinaires. Au niveau législatif, de nouvelles lois visant à créer un marché favorable aux énergies renouvelables et à l'efficience énergétique sont votées. Ces conditions-cadres permettent à des acteurs économiques de proposer de nouveaux modèles d'affaires, le plus souvent en s'appuyant sur les innovations technologiques issues de la recherche. Concernant ce dernier domaine, le nombre de sujets de recherche s'inscrivant dans la problématique énergétique est immense et reflète l'importante diversité des technologies nécessaires à la transition énergétique. Ces recherches peuvent être dédiées aussi bien à des aspects très précis d'une seule technologie qu'à la gestion de l'énergie dans son ensemble. L'évolution du secteur photovoltaïque est un excellent exemple du premier cas de figure. En dix ans, l'efficacité d'un panneau commercial moyen a progressé de plus de 40% (Fraunhofer ISE, photovoltaic report, 2019), augmentant la rentabilité des systèmes, encourageant le déploiement et créant ainsi d'importantes économies d'échelle. Ce résultat est lui-même l'aboutissement de recherches très différentes portant sur les cellules, leur intégration au sein de panneaux ou encore les processus de fabrication de ces derniers. Cette grande variété de sujets rend difficile le dégagement de tendances générales concernant les technologies de production d'énergie. Ces travaux ont néanmoins pour point commun d'améliorer la compétitivité des énergies renouvelables et ainsi leur pénétration dans le mix énergétique.
En revanche, dans le deuxième cas de figure, celui de la gestion de l'énergie, des tendances générales se dessinent. Celles-ci visent à compenser la variabilité et l'intermittence des sources renouvelables grâce au stockage et à la flexibilité de la consommation. C'est à ces deux volets qu'est consacré cet article.
Le stockage de l'énergie
Le stockage de l'énergie n'est pas, en lui-même, un concept nouveau. La Suisse profite de sa topologie particulière depuis des décennies pour appliquer ce principe grâce à ses installations de pompage-turbinage. La nouveauté de la tendance actuelle réside davantage dans la diversité des technologies employées, ainsi que dans la complémentarité des échelles spatiales et temporelles considérées, que dans le principe même du stockage.
Comme mentionné précédemment, le stockage d'énergie par pompage-turbinage est une technologie utilisée depuis longtemps et qui repose sur un principe simple. De l'eau est pompée d'un réservoir à basse altitude vers un second réservoir à une altitude supérieure, avant d'être à nouveau turbinée. Cette technologie offre de nombreux avantages. Premièrement, elle permet un stockage à long terme. Une fois accumulée dans le réservoir amont, l'eau peut y être maintenue aussi longtemps que nécessaire. Deuxièmement, elle offre une capacité de stockage très importante, déterminée entre autres par la différence d'altitude entre les réservoirs amont et aval, ainsi que par le volume des lacs d'accumulation. En Suisse, la capacité d'accumulation totale est d'un peu moins de 9 TWh (Statistique suisse de l'électricité 2018), soit l'équivalent de la consommation annuelle de 2,5 millions de ménages ! Néanmoins, tous les barrages ne sont pas équipés d'installations de pompage, ce qui laisse à cette technologie un potentiel de développement. Plusieurs grands projets ont ainsi été mis en service récemment ou sont en passe de l'être, tels que ceux d’Hongrin-Léman ou de Linth-Limmern. Les puissances de pompage de ces installations se chiffrent en centaines de mégawatt, leur permettant d'agir à l'échelle du pays tout entier.
Un peu plus bas dans l'échelle des puissances et des capacités de stockage concernées, du moins pour le moment, se trouve une technologie encore émergente : le power-to-gas. Comme sa dénomination anglaise l'indique, cette technologie consiste à transformer l'énergie électrique en énergie chimique, stockable sous la forme d'un gaz. Lors de périodes de production excédentaire, le phénomène de l'électrolyse est utilisé afin de séparer les molécules d'eau en hydrogène et oxygène.
L'hydrogène ainsi généré, un gaz particulièrement dense en énergie, peut ensuite être stocké tel quel, avant d'être à nouveau converti en électricité à l'aide d'une pile à combustible ou d'un moteur à hydrogène couplé à un alternateur classique. Le principal avantage de cette technologie réside dans le stockage de l'énergie sous forme chimique. Contrairement à la forme électrique, elle est particulièrement bien adaptée au stockage à long terme. Cela inscrit donc la technologie du power-to-gas dans la même catégorie de stockage saisonnier que le pompage-turbinage. Cependant, ces deux technologies n'en sont pas moins complémentaires. La capacité de stockage disponible pour le pompage-turbinage est liée au rythme des saisons et à la fonte des neiges. Dans le cas du power-to-gas, l'hydrogène est stocké dans des infrastructures dédiées dont la capacité est constante tout au long de l'année. Malgré cet avantage, un déploiement important de cette technologie reste pour le moment hypothétique en raison de son coût encore élevé et d'un rendement entre deux et trois fois inférieur à celui du pompage-turbinage. Néanmoins, il est probable que l'accroissement des énergies solaire et éolienne voulu par la Stratégie énergétique 2050 modifie les conditions de marché et crée une place pour cette nouvelle technologie.
Finalement, les batteries constituent la dernière technologie majeure du domaine du stockage. S'il en existe un grand nombre de variétés (lithium, plomb, nickel, etc.), elles reposent toutes sur des réactions électrochimiques. Leurs densités d'énergie et de puissance, ainsi qu'un rendement très intéressant de l'ordre de 90%, rendent ces systèmes particulièrement bien adaptés à un stockage à court terme, idéalement situé au plus proche de la production comme de la consommation. Elles sont donc un excellent complément à la production photovoltaïque, soumise à des cycles journaliers et à des variations météorologiques rapides. Pour cette raison, de nombreux fabricants de matériel photovoltaïque (onduleurs, modules, etc.) proposent désormais dans leur gamme des batteries d'une capacité de quelques kWh permettant de mieux répartir la production photovoltaïque résidentielle tout au long de la journée. Des batteries peuvent également être couplées à des installations solaires plus imposantes, principalement destinées à l'injection. Dans de telles situations, et contrairement au cas résidentiel, la répartition temporelle de la production ne vise pas à favoriser la consommation propre mais à maintenir la puissance injectée dans le réseau à un niveau acceptable pour celui-ci.
Une utilisation combinée et judicieuse des différentes technologies de stockage permettra, parmi d'autres solutions, d'intégrer au mieux dans le mix énergétique suisse un plus grand nombre de sources renouvelables intermittentes. La plus grande autonomie énergétique des consommateurs finaux, créée par des systèmes d'autoconsommation constitués de petites installations photovoltaïques et de batteries locales, permettra de diriger l'excédent de production de sources renouvelables de plus grande importance (éoliennes ou grandes centrales photovoltaïques), vers des systèmes de stockage saisonnier. L'énergie accumulée dans ceux-ci pendant l'été permettra de combler en partie l'excédent hivernal de consommation et de limiter la mise en service de centrales thermiques ou l'augmentation des importations.
Vers la convergence des secteurs
Il existe une seconde grande tendance technologique : la convergence des secteurs de l'énergie. De manière analogue au stockage, certaines des technologies impliquées sont en service ou connues depuis longtemps. Néanmoins, elles sont amenées à être utilisées demain de manière différente, influençant des domaines du secteur de l'énergie dont elles étaient avant cela totalement indépendantes. Cette seconde tendance peut être illustrée par les deux exemples suivants.
Le premier de ces exemples, et peut-être le plus parlant, est celui de la mobilité individuelle. Ce domaine est actuellement au début d'un changement majeur du point de vue de la source d'énergie utilisée. Le domaine de l'automobile a toujours été complètement indépendant du domaine de l'électricité. Or l'émergence de la voiture électrique change radicalement la donne.
La recharge des véhicules électriques entraîne naturellement une demande supplémentaire d'électricité. En Suisse, pour un parc automobile entièrement électrifié, cette demande supplémentaire est évaluée à environ 10% de la consommation finale actuelle (Roger Nordmann, Le plan solaire et climat, 2019). Il va sans dire qu'une telle augmentation n'est pas sans conséquence sur le secteur de l'électricité. Premièrement, pour que l'électrification de la mobilité ait l'impact positif attendu sur les émissions de gaz à effet de serre, cette consommation supplémentaire doit être couverte par des sources renouvelables. Deuxièmement, l'électricité nécessaire à la recharge des véhicules devra être acheminée par le réseau de distribution, augmentant d'autant la puissance portée par celui-ci. Cela nécessitera probablement des renforcements, si ce n'est au niveau national au moins au niveau local dans certains cas.
Néanmoins, l'électrification de la mobilité ne sera pas nécessairement une charge pour le secteur de l'électricité. Elle possède aussi le potentiel de le soutenir grâce à la flexibilité qu'offre la charge des véhicules électriques ainsi qu'à la technologie dite du "vehicle-to-grid". Cette dernière consiste en l'inversion possible du flux d'énergie entre le réseau de distribution et les véhicules. Les batteries des voitures connectées à une borne de recharge pourraient ainsi être déchargées dans le réseau de distribution lors de périodes de manque de production. L'ensemble du parc automobile électrique deviendrait ainsi pour le réseau de distribution une réserve d'énergie à court term,e permettant au réseau de mieux supporter les fluctuations continues de l'équilibre entre la production et la consommation. Bien sûr, les propriétaires des véhicules seraient dédommagés pour ce service selon des modèles d'affaire qu'il reste à définir.
Même si cette technologie n'est pas encore opérationnelle, cela ne saurait tarder. De plus en plus de fabricants de véhicules électriques et de bornes de recharge intègrent déjà cette fonctionnalité à leurs produits, tout en limitant son utilisation. Ils seront ainsi prêts le jour où le cadre légal et les conditions de marché permettront son exploitation. Ce jour-là, la convergence entre les secteurs de l'électricité et de la mobilité individuelle, historiquement indépendants, sera alors complète.
Mais la mobilité individuelle n'est pas le seul secteur à se rapprocher de celui de l'électricité. Les autres principaux vecteurs d'énergie, le gaz et la chaleur, sont également concernés. En Suisse, un projet phare de l'OFEN illustre particulièrement bien ce phénomène : la centrale d'Aarmatt. Cette installation réalise la convergence de ces trois réseaux en un seul point et pourrait bien être un premier exemple de ce que sera le domaine de la distribution de l'énergie de demain.
Si les réseaux de gaz et d'électricité sont couplés depuis longtemps, ils ne l'étaient que de manière unidirectionnelle : l'énergie passait du réseau de gaz au réseau électrique. La principale innovation de la centrale d'Aarmatt est l'inversion possible de ce flux d'énergie, grâce à l'utilisation de la technologie power-to-gas décrite plus haute. Les excédents de production électrique sont ainsi transformés en hydrogène avant d'être stockés. Ces stocks d'hydrogène peuvent ensuite être combinés à du dioxyde de carbone afin de créer du méthane directement injectable dans le réseau de gaz. Il est à noter que ce gaz présente un bilan carbone neutre si l'électricité utilisée dans le processus d'électrolyse est d'origine renouvelable. Le réseau de gaz est lui-même également couplé au réseau de chaleur à distance par l'intermédiaire d'une chaudière, ainsi que par une unité de couplage chaleur-force générant à la fois de la chaleur et de l'électricité. Grâce à ces différentes installations, l'énergie peut circuler depuis et vers n'importe quel réseau de distribution, à l'exception de celui de chaleur qui ne peut qu'en recevoir. Ces différentes passerelles entre les vecteurs énergétiques offrent une nouvelle flexibilité dans la gestion de la distribution de l'énergie. Cette flexibilité est particulièrement précieuse pour le déploiement des énergies renouvelables intermittentes et représente à coup sûr un élément de solution à la problématique des émissions.
Conclusion
Ces deux grandes tendances technologiques, marquant actuellement – parmi bien d'autres – le monde de l'énergie, montrent bien que celui-ci sera demain encore plus complexe et interconnecté qu'il ne l'est aujourd'hui. Des domaines actuellement indépendants les uns des autres deviendront alors intimement liés. Les acteurs du domaine ne s'y trompent d'ailleurs pas. Beaucoup d'entre eux ont lancé des programmes d'innovation et ont abordé de nouveaux marchés pour être prêts à relever les défis de demain.
Pour les consommateurs finaux, ménages ou entreprises, ces changements peuvent paraître abstraits et éloignés de leurs préoccupations quotidiennes. Néanmoins, ces avancées technologiques permettront de continuer à garantir un approvisionnement électrique sûr et fiable tout en assurant la transition énergétique. Une telle sécurité d'approvisionnement est essentielle aux activités de la majorité des entreprises. Quant au développement des énergies renouvelables à l'origine de ces avancées technologiques, il permettra aux entreprises de continuer de bénéficier d'une énergie bon marché. Car même si les énergies « vertes » sont encore un peu plus chères que les sources traditionnelles, cette tendance est appelée à s'inverser en raison des progrès technologiques dans ce domaine et d'une pression toujours plus grande sur les émissions de gaz à effet de serre.
