Projet conjoint "Production d’électricité durable décentralisée"

Les systèmes décentralisés de distribution multi-énergie ou MES (multi-energy-hub systems) sont une solution prometteuse pour relever les défis liés à la mise en œuvre de la Stratégie énergétique 2050, par exemple pour intégrer la production d’énergie décentralisée, tout en gérant les variations quotidiennes et saisonnières de la charge et des énergies renouvelables. La conception et le contrôle optimums de ces systèmes sont toutefois compliqués par l’interaction de plusieurs aspects, tels que (i) la modélisation de la demande (actuelle et à venir) des bâtiments en fonction du temps et du potentiel renouvelable, (ii) la simulation des performances technologiques et l’anticipation des évolutions technico-économiques, (iii) la dynamique à court et à long terme des technologies de stockage, (iv) les incertitudes liées aux données de départ sur le court et le long terme, ainsi que (v) le cadre politique et l’acceptation sociale.

L’objectif du projet IMES était de développer une méthodologie générale et intégrée capable de prendre en compte diverses considérations, allant de la réduction de l’impact économique et environnemental des MES dans les phases de conception et de contrôle, jusqu’à l’évaluation des facteurs technico-économiques et des barrières sociales les plus critiques. Par ailleurs, le projet visait à formuler des recommandations pour le développement et le déploiement des MES, l’intégration de sources d’énergie renouvelables, la micro-cogénération au gaz naturel (mCHP), les technologies basées sur l’hydrogène et les dispositifs de stockage à court et à long terme.

La méthodologie intégrée développée a été appliquée pour optimiser la conception et le contrôle du MES de deux études de cas suisses, à savoir le village rural de Zernez (GR) et le quartier urbain de Altstetten (ZH). Pour chaque étude de cas, il a été défini une palette de technologies et des stratégies de contrôle optimales permettant de satisfaire la demande d’électricité et de chauffage tout en réduisant au minimum les émissions de CO2 et les coûts totaux annuels des systèmes énergétiques. Par ailleurs, l’équipe du projet a évalué l’impact de la disponibilité des énergies renouvelables et des changements dans la demande d’énergie sur la faisabilité des objectifs de la Stratégie énergétique 2050 pour différents scénarios technico-économiques de MES, d’aujourd’hui à 2050.

Leurs conclusions démontrent que différents quartiers nécessitent des MES différents. Plus précisément, la disponibilité des sources d’énergie renouvelables et la demande d’énergie sont les principaux facteurs pour la définition de stratégies optimales de conception et de contrôle. Concrètement, aussi bien la modernisation des bâtiments que l’intégration des énergies renouvelables doivent être poursuivies pour atteindre les objectifs de la Stratégie énergétique 2050. La disponibilité élevée des énergies renouvelables est également le principal moteur d’installation de systèmes de stockage à long terme. De plus, l’équipe a constaté que les approximations technologiques actuelles dans l’analyse des MES conduisaient à des solutions irréalistes et potentiellement infaisables. C’est pourquoi, des modèles plus précis pour décrire le comportement des technologies mCHP et power-to-gas (P2G) ont été mis en place. Ceci a permis d’identifier le coefficient d’efficacité thermique-électrique et la dynamique de conversion comme étant les paramètres techniques les plus importants pour le développement et le déploiement de technologies de cogénération à pile à combustible. Par ailleurs, les résultats démontrent l’importance de miser sur des méthodes de contrôle efficaces et distribuées, ainsi que de tenir compte des contraintes du réseau, pour satisfaire les clients sans négliger la confidentialité. Enfin, l’évaluation sociale a révélé une attitude positive vis-à-vis des MES, malgré un certain nombre de freins concernant la propriété, les modèles et les mécanismes de financement.

Implications pour la recherche

La méthodologie développée améliore les techniques existantes en matière de conception, de contrôle et d’évaluation des MES: (i) en améliorant les techniques actuelles de description des performances des unités mCHP et des technologies P2G au sein d’un MES; (ii) en identifiant les paramètres technico-économiques les plus pertinents pour le développement et le déploiement de systèmes de cogénération à pile à combustible; (iii) en développant des méthodes d’agrégation chronologiques pour intégrer au MES des dispositifs de stockage saisonnier avec une faible complexité de calcul; (iv) en développant des stratégies de contrôle innovantes capables d’exploiter un MES tout en tenant compte des incertitudes liées aux données et de la vie privée des clients; et (v) en évaluant le potentiel économique et environnemental des solutions d’autosuffisance et en les comparant aux options de raccordement au réseau. Toutes ces améliorations répondent à des questions actuelles de la recherche et fournissent les bases de nouveaux axes de recherche dans les domaines correspondants.

Implications pour la pratique

Pour transposer les activités de recherche dans la pratique, la méthodologie développée est appliquée à la conception de MES fournissant de l’énergie électrique et thermique à Zernez (GR) et Altstetten (ZH). À cette fin, une discussion a été menée avec les parties prenantes (p. ex. Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz), Energie 360°, Energia Engiadina) pour recueillir et valider les données et les hypothèses de départ, ainsi que pour gérer les obstacles qui empêchent la mise en œuvre des MES aujourd’hui. Par ailleurs, une enquête et des groupes de discussion ont été mis en place pour évaluer la perception des MES par la population.

La méthodologie développée dans le cadre du projet IMES est en principe applicable à toute étude de cas, à condition de disposer des données de départ requises. Des discussions sont déjà en cours pour appliquer la méthodologie au réseau énergétique installé sur le campus Hönggerberg de l’EPF de Zurich.

Integration of sustainable multi-energy-hub systems at neighbourhood scale (IMES)

Ce projet conjoint se compose de cinq projets de recherche

Integration of sustainable Multi-Energy-hub Systems from the Building Performance perspective (IMES-BP)

• Dr. Kristina Orehounig, EMPA Dübendorf; Prof. Jan Carmeliet, Herr Viktor Dorer, Dr. Ralph Evins, Prof. Matthias Sulzer

Technical evaluation of multi-energy-hub systems integration at neighbourhood scale (IMES-TEC)

• Prof. Marco Mazzotti, Institut für Verfahrenstechnik, ETH Zürich; Dr. Ndaona Chokani, Prof. Reza Abhari

Economic assessment of multi-energy-hub systems integration at neighbourhood scale (IMES-ECO)

• Prof. Volker Hoffmann, Departement Management, Technologie und Ökonomie, ETH Zürich

Integration of sustainable multi-energy-hub systems from the system control perspective (IMES-SC)

• Dr. Turhan Hilmi Demiray, Forschungsstelle Energienetze, ETH Zürich; Prof. Roy Smith

Integration of sustainable multi-energy-hub systems from a societal perspective (IMES-SE)

• Dr. Pius Krütli, Transdisciplinarity Lab - USYS TdLab, Departement Umweltsystemwissenschaften, ETH Zürich