[Parole d'expert Carnot] Décarboner les systèmes énergétiques

12 2020
Les Carnot et les entreprises

"Les systèmes énergétiques français et européens consomment encore très majoritairement des ressources fossiles carbonées alors que la part des énergies renouvelables atteint 10 % en moyenne en 2019", assure Florence Lefebvre-Joud, directrice adjointe du Carnot Energies du futur, dans ce dossier réalisé en partenariat entre l’AiCarnot et AEF info. Ainsi, plusieurs Carnot ont structuré leur offre de R&D dans le domaine de la décarbonation des systèmes énergétiques pour apporter une réponse à cet enjeu et contribuer à l’objectif de garantir la neutralité carbone en 2050.

Analyse de Florence LEFEBVRE-JOUD, Directrice adjointe du Carnot Energies du futur 

Les systèmes énergétiques français et européens consomment encore très majoritairement des ressources fossiles carbonées (pétrole, gaz naturel et charbon) alors que la part des énergies renouvelables, hors énergie hydraulique, atteint 10 % en moyenne au niveau européen en 2019. En bon alignement avec les ambitions affichées au niveau européen, deux feuilles de route nationales, la stratégie nationale bas carbone et la programmation pluriannuelle de l’énergie, ont permis de fixer des objectifs concrets pour atteindre la neutralité carbone en 2050. Ces objectifs, déclinés dans la loi énergie-climat promulguée en novembre 2019, intègrent une électrification massive de la consommation énergétique grâce notamment à une production accrue d’énergie renouvelable, solaire ou éolienne. 

De nouveaux besoins d’innovation

L’intermittence de ces énergies intégrées massivement au réseau génère d’une part un besoin aigu de flexibilité et de pilotage intelligent des réseaux et, d’autre part, un besoin de solutions de stockage de l’énergie diversifiées. En effet, suivant la demande, l’électricité produite peut être directement consommée via le réseau électrique ou, quand la production est supérieure à la demande, être stockée sous forme chimique et consommée ultérieurement. On parle dans ce second cas, suivant la quantité d’énergie à stocker et la durée du stockage, de batteries ou de "Power to X", X pouvant aussi bien être un gaz tel que l’hydrogène ou le méthane ou un biocarburant liquide. Ainsi, dans cette nouvelle organisation du système énergétique fortement électrifiée, de nouveaux vecteurs énergétiques tels que l’hydrogène, les gaz de synthèse ou les biocarburants doivent acquérir une place croissante. 

Enfin, parce qu’on doit aujourd’hui produire deux fois l’énergie réellement nécessaire à nos usages par suite d’efficacité des systèmes énergétiques encore trop limitée, il convient d’associer la décarbonation de ces systèmes à une croissance majeure de leur efficacité énergétique et de la sobriété des procédés et des usages. Une attention particulière est notamment accordée à la récupération et la valorisation de la chaleur.

L’ACTION DES CARNOT POUR RÉPONDRE À CES DÉFIS

Plusieurs Carnot, en particulier ceux impliqués dans l’action Carnot filières EnergICs, ont structuré leur offre de recherche et développement en plates-formes thématiques centrées sur le domaine de la décarbonation des systèmes énergétiques et couvrant toute la chaine de valeur depuis les matériaux et composants jusqu’aux systèmes, à leur démonstration et leur pilotage. Cette mise en visibilité de l’offre d’innovation vise à stimuler les partenariats entre le tissu de recherche français et les acteurs industriels, en particulier les PME et ETI auprès desquelles les Carnot impliqués dans EnergICs ont engagé des actions spécifiques de recueil de besoins. 
 

Flexibilité et pilotage des réseaux d’énergie 

Le réseau électrique national a été conçu sur le principe de sources électriques continues, massives et centralisées irriguant l’ensemble des usagers, tant industriels, services ou particuliers, avec des pics de demandes couverts par les réserves hydrauliques. L’intégration de sources décentralisées de capacités variables et intermittentes vient considérablement bouleverser le fonctionnement de ce réseau. 

En outre, les usagers en intégrant par exemple une production solaire photovoltaïque à leurs bâtiments ne sont plus uniquement des consommateurs mais deviennent aussi des producteurs. Le réseau électrique est donc appelé à augmenter sa résilience et sa flexibilité sans pour autant avoir recours aux seules turbines à gaz, comme c’est le cas actuellement, et donc dégrader son empreinte carbone. 

Deux axes de recherche majeurs portent d’une part sur la prédiction et le pilotage de la production et d’autre part sur la convergence des réseaux électriques, gaz et chaleur.

  • Le pilotage "intelligent" des réseaux électriques : Carnot M.I.N.E.S

L’intégration massive des énergies renouvelables (éolienne, photovoltaïque) dans les réseaux électriques, ajoutée à leur caractère météo-dépendant et décentralisé, complexifient significativement la gestion de ces systèmes. Dans ce contexte, de nouveaux outils performants sont nécessaires pour tous les acteurs impliqués (gestionnaires de réseaux, agrégateurs, opérateurs de micro-réseaux, etc.) afin d’optimiser la gestion opérationnelle et la planification à long terme de ces systèmes. 

Une des activités du Centre Persee de Mines ParisTech, au sein du Carnot M.I.N.E.S, est de développer de tels outils adaptés à différents systèmes (smart-homes, micro-réseaux, centrales virtuelles, réseaux de distribution/transport, centrales EnR couplées au stockage/H2), à différentes échelles spatiales (quartier, territoire, national) et temporelles (pour l’opération ou pour les investissements). 

Il s’agit entre autres de concevoir des approches innovantes pour la prévision à court terme de la production EnR et de la consommation afin de maîtriser les incertitudes et risques associés. Ces modèles font appel à des approches physiques et statistiques ainsi qu’à l’intelligence artificielle, et exploitent les multiples sources de données disponibles (images satellites, compteurs intelligents, prévisions météo...). L’accent est mis sur le développement de solutions pour les nouveaux besoins émergents comme la nécessité de disposer de prévisions probabilistes de très grande fiabilité pour permettre aux centrales virtuelles de fournir des services système.

Dans ce cadre, Persee travaille également sur la modélisation et la gestion prédictive des systèmes énergétiques et les stratégies de participation des EnR aux marchés à l’aide de méthodes d’optimisation stochastique. Ces travaux sont notamment menés aujourd’hui à l’échelle européenne dans le cadre du projet H2020 Smart4RES coordonné par le Centre.

  • La convergence des réseaux gaz-électricité-chaleur pour plus de résilience : Carnot ISIFoR

Au cœur des solutions innovantes de flexibilité des réseaux de distribution et de stockage de l’énergie, on trouve de nombreux procédés de conversion d’énergie renouvelable et de valorisation (cogénération, récupération d’énergie fatale) ainsi que de nombreux procédés chimiques et biologiques tels que la méthanation et la méthanisation. Chacun d’eux présente des avantages et des inconvénients, mais c’est en créant une synergie entre ces procédés que l’on parvient à en tirer le meilleur parti. 

Une des activités du Latep (Laboratoire de thermique énergétique et procédés de Pau), au sein du Carnot ISIFoR, dont un des enjeux est de favoriser le mix-énergétique via le développement des énergies décarbonées et le stockage souterrain de l’énergie, tend donc à évoluer vers les problématiques de modélisation et d’optimisation dynamiques des réseaux multi-énergies avec des sources primaires variées et des vecteurs différents (eau, gaz, CO2). 

En régime permanent le Latep a déjà contribué à la réalisation de projets d’optimisation simultanée de la conception et du fonctionnement de tels réseaux (réseau de chaleur urbain avec l’ITE Nobatek-Inef4, et centrale géothermique de cogénération électricité/chaleur avec Fonroche Géothermie et Enertime). 

Il est particulièrement pertinent d’aller vers l’étude dynamique de ces systèmes où la demande est variable et où les sources peuvent être intermittentes. En effet, l’optimisation dynamique permet de prévoir les trajectoires des variables de contrôle sur un horizon de temps donné. Cette technique appliquée à un réacteur de méthanation a permis de mettre en place des stratégies de pilotage afin d’éviter l’emballement thermique du réacteur. 

Une collaboration avec newHeat (Bordeaux) a aussi permis de proposer un outil logiciel pour prévoir les trajectoires des variables de fonctionnement d’une centrale solaire thermique afin de maximiser les bénéfices liés à la vente de chaleur solaire à un consommateur. Cela a notamment fait ressortir des stratégies parfois contre-intuitives permettant une amélioration significative par rapport à des pilotages plus classiques. C’est également dans ce cadre-là que le Latep participe au projet Impulse 2025 de la société Teréga, dont le but à terme est de créer des synergies nouvelles et de maximiser les interconnexions pour considérer les différents réseaux énergétiques comme un système unifié et connecté.

Stockage de l’énergie 

L’intégration massive d’énergies renouvelables intermittentes dans le mix énergétique a pour conséquence un déphasage de la production et de la demande d’électricité. Pour pallier ce déphasage et répondre à la demande énergétique diverses solutions de stockage de l’électricité existent avec des efficacités et des degrés de maturités variables. 

Si les batteries prennent aujourd’hui une part croissante pour les applications nomades et la mobilité, avec des axes de R&D nombreux et spécifiques, le stockage massif de l’énergie sur des durées allant de quelques heures à quelques mois nécessite plutôt des infrastructures de type pompage-turbinage dans des centrales hydroélectriques réversibles ou des unités de conversion de l’électricité en molécule chimique, plus aisément stockable et valorisable ultérieurement. C’est notamment le cas du "Power to Gas" qui convertit l’électricité en hydrogène via un processus d’électrolyse. L’énergie est ensuite disponible sous forme chimique et tout l’enjeu de la recherche est de proposer une technologie d’électrolyse à haut rendement. 

  • Production d’hydrogène à faible empreinte carbone par électrolyse de la vapeur d’eau à haute température : Carnot Energie du futur

La production massive d’hydrogène à faible empreinte carbone par électrolyse de l’eau alimentée par de l’électricité décarbonée constitue aujourd’hui une voie privilégiée tant pour le stockage de l’énergie que pour la décarbonation de l’industrie ou des transports. La technologie d’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température s’avère particulièrement prometteuse avec des rendements de conversion proches de 90 % PCI (pouvoir calorifique inférieur). En effet, une partie de l’énergie électrique nécessaire pour dissocier la molécule d’eau en phase gazeuse peut être remplacée par de la chaleur, bon marché voire fatale. Ainsi, avec une source de chaleur à 150 °C, permettant de vaporiser l’eau "gratuitement", il est possible d’atteindre un rendement électrique proche de 90 % PCI correspondant à une consommation électrique spécifique de l’ordre de 40 kWh/kgH2 très compétitive par rapport aux technologies d’électrolyse basse température. 

Du fait de sa température de fonctionnement, comprise entre 700 et 850 °C, la cellule, cœur de la réaction électrochimique de production d’hydrogène, est en céramique et n’inclut aucun catalyseur en métaux nobles. Pour atteindre des valeurs de productions massives, les cellules sont empilées pour former des stacks. 

Les équipes du Carnot Energies du Futur orientent leurs recherches sur la performance et la durabilité du stack EHT (eau à haute température) d’une part et sur l’augmentation en maturité de la technologie d’autre part, en produisant des systèmes de démonstration de taille croissante.

Un second enjeu porte sur la montée en maturité de la technologie, avec en particulier la réalisation de systèmes d’électrolyse EHT de taille croissante et leur déploiement en conditions réelles hors du laboratoire. Depuis la mise en service du premier système EHT par le CEA en 2014 grâce au projet Carnot Sydney, des premiers systèmes sont en fonctionnement ou en construction, à l’échelle de la centaine ou quelques centaines de kW. La technologie EHT présente un fort potentiel disruptif pour produire massivement de l’hydrogène à haut rendement et à bas coût.

Voir la vidéo 

Efficacité énergétique et à la sobriété des procédés et des usages 

Si les efforts pour réduire l’empreinte carbone globale de nos sociétés portent sur le développement de nouveaux systèmes énergétiques à haut rendement de conversion tels que les piles à combustibles ou les batteries, il est toutefois essentiel d’exploiter et de valoriser les gisements de chaleur fatale.

  • Des échangeurs poreux pour la récupération de chaleur à haute température dans les procédés industriels : Carnot ICÉEL

Face aux enjeux de la transition énergétique et écologique, la réduction de la consommation d’énergie des secteurs industriels gros consommateurs est essentielle. Le gisement national de chaleur fatale industrielle est estimé par l’Ademe en 2015 à 51 TWh. Les industries transformatrices des métaux et du verre génèrent une chaleur fatale très importante qui, à l’heure actuelle, n’est pas (ou très peu) récupérée. Cette chaleur fatale est issue de différents sous-produits à moyenne (200 à 500 °C) ou haute (>500 °C) température et peut représenter 20 % à 40 % de l’énergie initiale utile au process. Le gisement est considérable à l’échelle industrielle et les modes de récupération actuels restent onéreux et peu robustes en environnements extrêmes. 

Dès lors, les absorbeurs volumiques formés de mousses (céramiques/métalliques) apparaissent comme une solution efficace. Un tel milieu présente l’avantage d’augmenter significativement les surfaces spécifiques d’échange en gardant une taille de porosité suffisamment grande pour que les pertes de charge pour le fluide caloporteur qui le traverse soient raisonnables. L’utilisation d’un matériau de type céramique se justifie par sa bonne tenue mécanique, sa faible réactivité à haute température et sa bonne conductivité thermique. 

Alors que les mousses métalliques offrent une solution simple et robuste évitant en outre de multiples opérations et un vaste choix de nuances. L’optimisation d’échangeurs de ce type reste encore, du fait de la complexité de sa modélisation, très empirique. L’objectif des travaux menés au Lemta (CNRS-université de Lorraine) au sein de l’institut Carnot ICÉEL est de proposer une conception optimale en associant une modélisation de matériaux poreux qui soit la plus pertinente du point de vue des échanges thermiques couplés (radiatifs, conductifs, convectifs) avec un travail expérimental visant à étudier le transfert de chaleur d’une source radiative vers un flux d’air chaud via un matériau poreux placé à l’intérieur d’un four porté à haute température (1).
(1) La 3e édition de la rencontre Ecotech Energie est organisé par PEXE-Les éco-entreprises de France et les Carnot (Extra&Co & EnergICs).

Pour plus di'nofrmation sur ce sujet et sur les nouveaux système énergétiques, la 3ème édition des Rencontres Ecotech Energie organisée par PEXE - Les éco-entreprises de France et les Carnot (Extra&Co & EnergICs)  ► programme & incription