01 juin 2011

Les scientifiques du Domaine des EPF recherchent, dans le cadre de projets à long terme, des moyens de garantir à la Suisse un approvisionnement énergétique sûr, indépendant et qui ménage les ressources et le climat. Il s’agit par exemple d’optimiser et d’intensifier l’utilisation des centrales à cycle combiné au gaz naturel, de la géothermie profonde, des énergies solaire et hydraulique ainsi que de la biomasse.

Cellules solaires développées par l’Empa déposées en couches fines sur des feuilles de polyimide transparentes. Grâce à la flexibilité des feuilles, les cellules solaires peuvent être appliquées sur diverses surfaces. Source: Empa

La recherche énergétique, qui joue un role majeur dans le Domaine des EPF, est orientée sur le long terme. Les projets de recherche se concentrent sur le potentiel, la faisabilité et les risques de différentes technologies énergétiques pour servir ainsi de base aux décisions politiques. Les chercheurs veulent améliorer l’efficacité énergétique, mais aussi optimiser les énergies renouvelables telles que les énergies hydraulique et solaire, la biomasse ou la géothermie profonde, et réduire les émissions de CO2 générées par les centrales à cycle combiné au gaz. «La recherche a pour mission d’identifier les possibilités et les enjeux de diverses technologies énergétiques. Mais c’est aux politiciens de trancher», déclare Fritz Schiesser, président du Conseil des EPF.

Nouvelles centrales à cycle combiné
Une centrale à cycle combiné au gaz, d’une puissance de 400 mégawatts, pourrait remplacer une centrale nucléaire de la taille de Mühleberg. Toutefois, cela entraînerait un rejet supplémentaire de gaz à effet de serre d’environ un million de tonnes de CO2 par an. Il est possible de capturer le CO2 avant qu’il ne soit rejeté dans l’atmosphère afin de l’amener sous terre et le stocker durablement à une profondeur minimale de 800 mètres dans des formations géologiques comparables aux réservoirs naturels de gaz ou de pétrole. Le projet CARMA, sous la conduite du professeur Marco Mazzotti de l’ETH Zurich, étudie la faisabilité de ce procédé en Suisse. La capacité de stockage et les coûts sont aussi déterminants que l’acceptation par la population. Pour celle-ci, ce sont surtout l’efficacité et la sécurité du stockage de CO2 qui comptent. En faire la démonstration sur le terrain est le but des chercheurs. «Il y a urgence, car entre la conception d’un essai et son achèvement, il faut compter environ dix ans. Ce n’est qu’après une démonstration réussie que le stockage du CO2 devrait être réalisé à grande échelle», explique Marco Mazzotti.

Energie inépuisable dans le sous-sol
«La chaleur accumulée dans les profondeurs de la terre représente une source d’énergie quasi inépuisable. Si le potentiel de la géothermie profonde ne peut pas être pleinement exploité, ce n’est pas en raison du manque de ressources, mais bien de la technologie», précise Marco Mazzotti. En effet, seuls quelques sites présentent des nappes aquifères naturelles qui remplissent toutes les conditions pour produire du courant. Les Enhanced Geothermal Systems (EGS) permettent d’accéder à une part beaucoup plus grande de l’énergie thermique contenue dans le sol pour l’utiliser ensuite en surface. Ce faisant, on augmente la perméabilité de la roche par stimulation pour permettre la circulation de l’eau à travers le réservoir chaud. Les chercheurs du Domaine des EPF développent différents aspects de cet accès au réservoir. Il s’agit par exemple d’éviter les activités sismiques notables et d’élaborer de nouvelles techniques de forage.

En 80 minutes, la Terre reçoit autant d’énergie solaire que l’ensemble de l’humanité en consomme en un an.»

Nouveau type de cellules solaires
Le sous-sol n’est pas le seul à renfermer un trésor énergétique: «En 80 minutes, la Terre reçoit autant d’énergie solaire que l’ensemble de l’humanité en consomme en un an», déclare le professeur Gian-Luca Bona, directeur de l’Empa. Afin d’optimiser cette source d’énergie, l’Empa développe de nouvelles cellules solaires déposées en couches fines sur du plastique. Ce type de cellules anorganiques dispose déjà d’un rendement élevé en laboratoire (plus de 18%). Le rendement correspond à la proportion d’énergie solaire captée puis transformée en courant électrique. Pour que la pose de cellules solaires à couches minces soit réalisable sur de grandes surfaces – et donc à moindre coût – sur différents matériaux, les chercheurs de l’Empa mettent au point une sorte de technique d’impression qui permettrait de généraliser le recours à ces nouvelles cellules solaires.

Mieux utiliser l’énergie hydraulique
Les centrales hydrauliques produisent 55% du courant électrique en Suisse.Les centrales de pompage-turbinageen particulier, jouent un rôle significatif pour couvrir la demande lors de pics de consommation, pour assurer le stockage d’énergie et intégrer de nouvelles énergies renouvelables dans le réseau électrique. A l’EPFL, des projets destinés à développer des modes de fonctionnement efficaces pour ces usines et leur surveillance sont en cours. Pour Massimiliano Capezzali, directeur adjoint de l’Energy Center de l’EPFL, l’entretien des centrales est aussi un enjeu d’importance: «La rénovation et l’agrandissement des centrales hydrauliques suisses permettraient d’accroître considérablement leur production d’énergie.»

En parallèle, l’Eawag examine l’impact de l’utilisation de l’énergie hydraulique sur les écosystèmes aquatiques. Il étudie également les moyens d’éviter les conséquences néfastes pour la migration des poissons ou encore la dynamique des zones alluviales. Au WSL, des chercheurs tentent de déterminer la quantité d’eau qui sera disponible en Suisse dans les années à venir pour produire du courant, sachant que le réchauffement climatique provoquera une diminution des chutes de neige et la fonte partielle des glaciers.

Le méthane producteur d’électricité
La biomasse constitue la deuxième source d’énergie renouvelable la plus importante en Suisse. Ce terme désigne l’ensemble des matériaux organiques produits par la photosynthèse et qui, contrairement au pétrole ou au charbon, ne sont pas le résultat d’un processus géologique. Lors de la production d’énergie, la biomasse est transformée en carburant, en produits chimiques ou en méthane grâce à la catalyse ou à la gazéification. «Le méthane pourrait permettre une alimentation électrique décentralisée ou être utilisé pour des véhicules équipés de moteurs à gaz», précise le professeur Alexander Wokaun, directeur du département de recherche Energie non nucléaire du PSI. Pour produire de l’énergie avec de la biomasse, on utilise surtout des chutes de bois. Une étude de l’Eawag a montré que l’ob-tention de méthane à partir du bois (Bio-SNG) offrirait à la Suisse uncomplément aux technologies énergétiquesactuelles.

Le bois, une ressource providentielle
La production de chaleur et d’énergie grâce au bois a gagné en importance en raison de la raréfaction des combustibles fossiles. Pour planifier une éventuelle expansion de l’énergie tirée du bois, il est nécessaire de connaître les réserves de bois dans les forêts suisses. L’inventaire forestier national (IFN), tenu par le WSL et l’Office fédéral de l’environnement, en fait le recensement. En plus d’être une ressource énergétique, la forêt est un lieu de détente et elle sert la biodiversité ou à la protection contre les dangers naturels. Le bois est en outre un matériau de construction important. Autant d’aspects qui peuvent engendrer des conflits d’utilisation. C’est pourquoi le WSL recherche quelle quantité de bois sera disponible à l’avenir pour la production d’énergie. Pour ce faire, il élabore différents scénarios quant aux facteurs d’influence tels que le climat, l’exploitation ou l’utilisation à d’autres fins.

Bien que les déchets de bois soient intéressants, Alexander Wokaun et son équipe étudient d’autres matières, au potentiel énergétique plus élevé et inexploité. Selon Alexander Wokaun, la biomasse humide comme le lisier ou les boues d’épuration, transformée en méthane sous haute pression, est très prometteuse. Les chercheurs développent au PSI une installation pilote pour tester ce procédé.

Efficacité énergétique indispensable
Même si la Suisse optimise son approvisionnementénergétique, elle doit aussi utiliser l’énergie plus efficacement. Le Centre de compétences Energie et mobilité (CCEM), rattaché au PSI, encourage les projets en recherche énergétique communs à plusieurs institutions du Domaine des EPF. Il contribue ainsi à solutionner les défis majeurs qui se posent à l’approvisionnement énergétique suisse: fournir des prestations fiables et économiques, en ménageant les ressources et en générant peu d’émissions. Les moyens d’atteindre ces objectifs de durabilité font l’objet de recherches au CCEM. Il s’agit d’augmenter l’efficacité à chaque étape de la transformation d’énergie, de stocker celle-ci et de remplacer les combustibles fossiles par des ressources énergétiques pauvres en CO2.

De nombreux projets visant à développer des technologies énergétiques plus efficaces sont en cours dans les institutions du Domaine des EPF. Le PSI, par exemple, a mis au point, en partenariat avec l’industrie, un système de piles à combustible qui pourrait servir de modèle pour une méthode de propulsion commercialisable pour des véhicules. A l’Empa, les scientifiques sont en quête de technologies à même de diminuer la consommation d’énergie des bâtiments. Les crépis fabriqués à partir de nanomatériaux constituent une option intéressante. Un crépi hautes performances conçu par l’Empa isole deux à trois fois mieux que les crépis traditionnels et est approprié pour les nouvelles constructions comme pour les rénovations. L’Eawag perfectionne des processus économes en énergie pour traiter les eaux usées. Une station d’épuration zurichoise, entre autres, y a déjà recours. Enfin, l’EPFL développe, en collaboration avec les communes de La Chaux-de- Fonds, Lausanne, Martigny et Neuchâtel, un logiciel grâce auquel des villes pourront mieux planifier et gérer leur approvisionnement et la demande en matière d’énergie.