Recherche pour le virage énergétique : l’expertise du PSI vient en renfort

Le PSI apporte sa contribution pour résoudre certaines questions scientifiques et techniques, liées à la Stratégie énergétique 2050, dans le cadre du nouveau Programme national de recherche « Virage énergétique » (PNR 70) du Fonds national suisse. Le Conseil fédéral a alloué au programme une enveloppe financière de 37 millions de francs. Par ailleurs, la Confédération examine certains aspects réglementaires et sociétaux du tournant énergétique, dans le cadre d’un autre Programme national de recherche, le PNR 71 «Gérer la consommation d’énergie». Les deux programmes devraient se poursuivre jusqu’en 2018.

Le nouveau PNR 70 « Virage énergétique » soutient financièrement des travaux de recherche dans les domaines suivants : « Bâtiment et aménagement », « Approvisionnement en électricité », « Processus industriels » et « Transport et mobilité ». L’objectif est de produire des résultats utilisables dans la pratique, qui trouvent une application en Suisse au cours des 10 à 30 prochaines années.

Les contributions du PSI concernent plusieurs projets. Dans l’un d’eux, des chercheurs du PSI du Laboratoire de chimie atmosphérique se penchent sur les conséquences de l’utilisation de chauffages à bois pour l’environnement et la santé. Contrairement aux énergies fossiles, le bois est un combustible pratiquement neutre en termes d’émissions de CO₂, car lors de sa combustion, la quantité relâchée de CO₂ correspond à celle que les arbres ont « inspiré » pour pouvoir pousser. Mais la combustion dans les chauffages à bois génère des polluants, comme la suie et les poussières fines. Des scientifiques du PSI, placés sous la houlette du Josef Dommen du Laboratoire de chimie atmosphérique, vont contribuer au développement de fours à bois écologiques, grâce à leur expertise sur la formation de particules fines.

Un autre projet, auquel participe le Laboratoire d’analyses des systèmes énergétiques du PSI, se penche sur les risques liés à l’utilisation de la géothermie profonde et de l’hydraulique. Ces deux énergies assurent une part croissante de l’approvisionnement énergétique de la Suisse dans la nouvelle politique énergétique. Mais elles ne sont pas sans risque. Le projet en question devrait contribuer à apprécier ces risques dans le cadre de différents scénarios, et à mettre en évidence des stratégies pour les gérer.

L’expertise du PSI dans les analyses de systèmes énergétiques appuie également un projet centré sur un système de chauffage et de refroidissement des bâtiments, avec faibles émissions de CO₂. La tâche des chercheurs du PSI est la suivante : évaluer l’impact, en termes de développement durable, d’une technologie innovante de pompe à chaleur. Les pompes à chaleur sont des machines qui font remonter la température d’une chaleur basse à un niveau qui permette à celle-ci d’être utilisable, par exemple pour des chauffages. En Suisse, on assiste actuellement à un véritable boom des pompes à chaleur électriques. Mais cette popularité entraîne aussi une augmentation de la consommation d’électricité. De plus, cette consommation est irrégulière, et met donc les réseaux électriques fortement à contribution. Quant aux pompes à chaleur dotées d’un moteur à combustion, elles génèrent des émissions de CO₂ considérables. On cherche donc à présent une solution, qui permette de réduire la consommation d’électricité et de combustibles fossiles, dans les pompes à chaleur, dites à adsorption ou à entraînement thermique. Ces pompes à chaleur utilisent de la chaleur d’origine renouvelable – produite par exemple par des panneaux solaires – ou des rejets thermiques, issus de processus industriels. Concrètement, le projet mise sur une technologie basée sur des solides poreux. Ces solides peuvent absorber des quantités relativement élevées d’un fluide dans leurs pores. Ce même fluide est expulsé du solide en cas d’apport de chaleur. Lors de ces processus, la chaleur est absorbée ou libérée, de sorte que la pompe à chaleur peut être utilisée aussi bien pour refroidir que pour chauffer.

Dans le cadre d’un autre projet, des scientifiques du PSI examinent une technologie prometteuse pour le stockage de grandes quantités d’énergie. Il s’agit de centrales à air comprimé. En raison de leurs importantes capacités de stockage, elles sont considérées en Suisse comme une alternative possible aux centrales de pompage-turbinage. Le stockage d’énergie sous forme d’air comprimé utilise de l’électricité excédentaire pour comprimer de l’air et le stocker dans des cavernes. Lorsqu’on en a besoin, on fait circuler l’air comprimé dans une turbine, qui actionne un générateur. Dans le monde, il n’existe à ce jour que deux centrales à air comprimé. La technologie conventionnelle présente des déperditions d’énergie relativement élevées, car la compression de l’air génère de la chaleur, qui est transmise à l’environnement. En effet, lorsqu’il est prélevé dans le stock, l’air se dilate et se refroidit. Avec la nouvelle technologie, appelée stockage adiabatique d’air comprimé, on s’efforce de récupérer cette chaleur résiduelle autant que possible. Des accumulateurs de chaleur innovants sont en développement à cet effet. Les travaux du PSI, placés sous la direction de Peter Burgherr, visent à évaluer, d’un point de vue écologique et économique, ce stockage adiabatique et ses chances de déboucher sur une application pratique en Suisse.

Enfin, le savoir-faire du PSI vient en renfort d’un projet qui se concentre sur des transformateurs d’un genre nouveau, pour une transmission d’électricité économique et intelligente. Le projet, appelé « Swiss Transformers » a pour objectif de développer de nouveaux transformateurs à base de carbure de silicium (SiC), un semi-conducteur. L’efficacité globale de ces transformateurs devrait être comparable à celle de leurs équivalents conventionnels à base de cuivre et de fer. Les transformateurs en SiC ont la particularité suivante : ils réagissent rapidement aux modifications des caractéristiques du courant, et assurent ainsi le maintien de la stabilité du réseau électrique, même lorsque l’alimentation connaît d’importantes variations, comme avec l’énergie éolienne et l’énergie solaire. Autre plus dans une perspective d’avenir : grâce aux transformateurs SiC, les sources de courant continu, comme les installations photovoltaïques, les accumulateurs et les bornes de recharge pour véhicules électriques, peuvent être intégrées au réseau de courant alternatif. Des chercheurs du Laboratoire de micro et nanotechnologie du PSI, emmenés par Jens Gobrecht, tentent de relever le défi : développer un procédé de fabrication économique et fiable pour les composants en SiC requis. Ces composants devraient être utilisables avec une tension de 3,3 kilovolts. Or la technologie de traitement pour des tensions aussi élevées n’a encore pratiquement fait l’objet d’aucune recherche.

Texte : Institut Paul Scherrer /Leonid Leiva