Modéliser la transition énergétique

Le système énergétique de la Suisse va subir de profonds changements dans les années à venir. Avec la loi sur l'énergie entrée en vigueur en 2018, les citoyens ont voté pour sortir du nucléaire et produire de l'électricité de manière plus décentralisée à partir d'énergies renouvelables. En 2019, le conseiller fédéral a également décidé que la Suisse devrait réduire ses émissions de gaz à effet de serre à zéro net d'ici 2050.

Le photovolta?que jouera un r?le important dans cette évolution. Il est par ailleurs certain que ce changement nécessite des technologies flexibles, capables de convertir efficacement l'énergie, de la stocker et de la mettre rapidement à disposition en cas de besoin - et ce à des échelles de temps allant de la saison à l'heure. Mais dans le détail, on ne sait pas encore très bien comment ces objectifs ambitieux seront atteints.

Cela conduit à des questions ouvertes dans la politique, l'industrie et la société. Quelles sont les mesures politiques appropriées pour que la transition de l'énergie nucléaire vers les énergies renouvelables se fasse en douceur ? Quelles sont les technologies flexibles les mieux à même d'équilibrer la production fluctuante d'électricité photovolta?que, par exemple - accumulation par pompage, barrages, stockage par batterie, hydrogène issu de l'électricité solaire ou consommateurs flexibles ? Comment inciter l'économie et la société à investir dans les technologies nécessaires à ce changement ? Et comment minimiser les risques systémiques dans l'infrastructure énergétique future ?

Des solutions pour un système complexe

Pour répondre à de telles questions et comprendre les voies possibles vers la neutralité climatique, les modèles informatiques peuvent être d'une grande aide. Au Energy Science Center de l'ETH Zurich, un groupe de recherche multidisciplinaire développe donc la plateforme "Nexus-e", qui permet de modéliser des systèmes énergétiques. La première version de Nexus-e a été achevée fin 2020. Le projet pilote et de démonstration a été cofinancé par l'Office fédéral de l'énergie (OFEN) suisse et les chaires de l'ETH impliquées.

L'objectif commun du projet : développer un outil approprié qui représente de manière globale le système électrique suisse complexe. Cela permettra notamment d'évaluer les r?les des technologies centralisées et décentralisées ainsi que les facteurs économiques et politiques dans un futur réseau électrique dont les besoins en flexibilité ne cessent d'augmenter.

"Pour trouver des solutions pour l'avenir, il faut plus de flexibilité. Avec Nexus-e, nous voulons mettre à disposition une plateforme qui nous permette de modéliser différents scénarios et de faciliter ainsi la transformation du secteur énergétique au cours des prochaines décennies", explique Marius Schwarz, chef de projet de Nexus-e.

Bo?te à outils pour la transition énergétique

Le secteur de l'énergie étant très complexe, il n'y a eu jusqu'à présent que peu de tentatives de modélisation des interactions entre les différents composants à l'échelle du système. Nexus-e entend combler cette lacune. "La caractéristique décisive est l'architecture transparente de la plateforme. Elle permet de relier facilement les composants du système énergétique sous forme de modules via des interfaces clairement définies", explique Schwarz.

Concrètement, la plateforme combine actuellement cinq modèles énergétiques qui rassemblent des connaissances et des méthodes issues de différentes disciplines telles que l'électrotechnique et la macroéconomie. Ces cinq modules représentent l'économie globale suisse et le marché de l'électricité, les investissements dans les installations énergétiques décentralisées et centralisées, la sécurité du réseau et son extension. L'approche modulaire permet de représenter le système énergétique et l'interaction de ses composants de manière beaucoup plus complète que les simulations traditionnelles et isolées de sous-systèmes.

Scénarios de test illustratifs

Pour illustrer le potentiel de Nexus-e, les chercheurs ont calculé, dans le cadre de la première phase du projet, trois scénarios tests pour la transformation du système électrique suisse d'ici 2050. Les simulations indiquent que l'abandon de l'énergie nucléaire pourrait être rendu possible principalement gr?ce à des investissements importants dans de nouvelles installations photovolta?ques. L'énergie éolienne, en revanche, ne pourrait jouer un r?le que si les co?ts étaient considérablement réduits. Avec l'énergie hydraulique, la Suisse se trouve en outre dans une bonne situation de départ pour équilibrer la production d'électricité photovolta?que, qui varie quotidiennement mais aussi de manière saisonnière.

"Comme les hypothèses sous-jacentes sont encore entachées d'incertitudes considérables, ces résultats de test ont avant tout un caractère illustratif et ne doivent pas être considérés comme des prévisions officielles", souligne Schwarz.

Un catalyseur pour la recherche multidisciplinaire

En outre, Nexus-e sert d'infrastructure de modélisation utilisée en continu dans la recherche et l'enseignement. Christian Schaffner, directeur de l'Energy Science Center, explique : "La plateforme Nexus-e permet aux étudiants et aux chercheurs d'étudier plus efficacement des questions complexes et de nouveaux phénomènes", ce qui permet d'étudier de manière détaillée et à bas seuil comment des aspects partiels se comportent dans le système global.

De cette manière, la plateforme de modélisation centrale facilite la recherche interdisciplinaire au sein de la haute école. Nexus-e sert déjà de base dans plusieurs projets de l'ETH et est ainsi à chaque fois développé de manière ciblée. Citons par exemple le projet de recherche CH2040, dans lequel l'équipe de Nexus-e étudie, en collaboration avec le groupe Protection et adaptation du climat d'Anthony Patt, dans quelle mesure une décarbonation de la Suisse d'ici 2040 est techniquement et financièrement réalisable.

Une autre collaboration avec le laboratoire de Marco Mazzotti Separation Processes utilise Nexus-e pour évaluer dans quelle mesure l'énergie issue de la biomasse combinée au CO₂-et de stockage de l'énergie pourrait réduire les émissions et ce que cela signifierait pour le système énergétique suisse sur le plan économique et écologique.

Detlef Günter, Vice-président pour la recherche à l'ETH Zurich, se réjouit de l'intensification de la collaboration entre les chaires et les départements : "Nexus-e montre de manière très impressionnante ce que l'interdisciplinarité peut apporter. Je suis convaincu que seule la collaboration interdisciplinaire permettra de trouver des solutions satisfaisantes et réalisables, notamment face à des défis tels que la transition énergétique."

S'établir comme environnement de test proche de la pratique

Selon Schaffner et Schwarz, la nouvelle plateforme de modélisation devrait également être utilisée et développée par des personnes intéressées en dehors de la haute école. Leur vision est que Nexus-e serve d'environnement de test accepté par tous et proche de la pratique. "Nous sommes donc ouverts à de nouvelles coopérations dans le domaine académique, mais aussi avec des décideurs politiques ou des représentants de l'industrie qui souhaiteraient utiliser Nexus-e", explique le directeur de l'ESC Schaffner.

C'est pourquoi, chez Nexus-e, on s'efforce de rendre l'accès à la plateforme aussi simple et efficace que possible. L'équipe a déjà pu réduire le temps de simulation de plusieurs jours à quelques heures. Dans une prochaine étape, il est prévu d'ouvrir complètement la plateforme et de soutenir les utilisateurs et développeurs externes dans leur travail avec Nexus-e.

Groupes de recherche impliqués

• Laboratoire des systèmes électriques
• Centre de recherche sur les réseaux énergétiques (FEN)
• Laboratoire d'ingénierie de la fiabilité et des risques (RRE)
• Chaire d'énergie et d'économie publique (EEPE)
• Energy Science Center (ESC)