Pour répondre aux enjeux de la transition énergétique et à l’objectif de neutralité carbone à horizon 2050, pour faire face à l’intégration efficiente des énergies renouvelables dans le mix énergétique et à l’essor de nouveaux usages, les réseaux énergétiques (chaleur, électricité, gaz) doivent être repensés. De leur architecture à leur pilotage, des composants aux systèmes, les équipes du CEA sont mobilisées aux côtés de leurs partenaires industriels pour concevoir des réseaux plus intelligents, plus résilients, plus efficaces et plus sobres.

Faire évoluer les réseaux pour décarboner l’énergie

Actuellement, les réseaux de transport et de distribution d’énergie (électricité, gaz et chaleur) sont conçus principalement sur la base de modèles de production, de transport et de distribution unidirectionnels et centralisés. L’augmentation, dans le mix énergétique, de la part des énergies renouvelables, par nature intermittentes, et l’essor de nouveaux usages (voitures électriques, production massive d’hydrogène via électrolyse, autoconsommation,...), imposent de faire évoluer ces réseaux. L’enjeu : introduire de la flexibilité au système énergétique pour gérer la variabilité de l’offre et de la demande à un coût maitrisé, dans le temps (intermittence, consommation variable selon les saisons) et dans l’espace (usages locaux différenciés), en ayant recours aux systèmes de stockage et/ou de conversion les plus adaptés. L’objectif : améliorer l’efficacité énergétique en distribuant au plus juste et de manière fiable, en temps réel, de façon centralisée et décentralisée et à coût compétitif.

Comment les réseaux vont-ils évoluer ?

À très court terme, l’objectif est d’améliorer le pilotage des réseaux en prenant mieux en compte et en ajustant la demande des particuliers comme des industriels. Pour ce faire, les réseaux doivent être davantage connectés et « intelligents », afin que le gestionnaire puisse avoir accès en continu à un maximum d’informations de manière sécurisée pour savoir comment équilibrer son réseau à tout instant et à toute échelle. Ces technologies « smart grids » reposent sur une multitude de capteurs pour ausculter le système, des logiciels capables de traiter cette masse de données pour en extraire les informations nécessaires, et des outils d’aide à la décision en temps réel. Elles permettent de contrôler de manière coordonnée les différents producteurs, les consommateurs et les moyens de stockage.

Viendra ensuite le temps d’interconnecter ces différents réseaux d’énergie, en particulier au niveau local, pour accroître encore la flexibilité du système. Il s’agit ainsi de tirer profit des synergies entre vecteurs énergétiques.

La troisième étape correspondra à l’arrivée massive des véhicules électriques, à l’apparition de nouveaux usages de l’électricité et au report d’une partie de la production électrique vers d’autres vecteurs d’énergie (chaleur, gaz). Les nouveaux usages qui entraînent une hausse de la consommation électrique, offrent des possibilités nouvelles de gestion de la flexibilité des réseaux dès lors que le système énergétique est piloté dans une approche globale.

Développer des réseaux intelligents, plus interconnectés, plus efficaces et plus sobres

Le numérique et l’IA pour modéliser, simuler, optimiser et piloter des systèmes complexes

Pour piloter les réseaux énergétiques de façon efficiente et sobre, le CEA développe des outils de simulation visant à concevoir, dimensionner, contrôler et optimiser ces réseaux complexes associant différents moyens de production, de conversion, de stockage et d’usages. Il développe également des systèmes d’intelligence artificielle (IA) capables d’aider à la décision.

L’anticipation fine des consommations et de la production permet d’améliorer l’efficience du système complet. Cependant, un biais existe toujours entre l’anticipation et le temps réel. Aussi, le CEA développe des algorithmes d’optimisation du fonctionnement, des systèmes d’information assurant les interfaces de communication et la gestion des données pour pouvoir réaliser le diagnostic et l’évaluation des performances du réseau en temps réel. Ces développements sont cadrés par des modèles économiques de vente de l’énergie pour prévoir et décider, en temps réel , de la solution énergétique la plus efficace, la plus sobre et la moins coûteuse.

Ainsi, le CEA a développé un outil d’aide au pilotage des réseaux de chaleur, permettant en fonction de données météorologiques, d’anticiper les besoins, de distribuer au plus juste la chaleur dans les différents points de livraison du réseau, engendrant un gain d’environ 7 % d’économie d’énergie annuelle.

Des plateformes et des démonstrateurs permettent de réaliser des tests « grandeur nature » à l’échelle d’une maison, d’un bâtiment, d’un quartier, voire d’un territoire, comme sur la plateforme systèmes « smart grid » du CEA-Liten, située à Chambéry. Différentes configurations de réseaux sont ainsi expérimentées avec différents moyens de stockage via un simulateur, pour définir les stratégies de pilotage les plus efficientes et en optimiser la rentabilité.

Développer des briques technologiques pour produire, stocker et convertir l’énergie

Pour interconnecter les réseaux, le CEA développe des briques technologiques assurant la production et/ou la conversion, et le stockage des différentes formes ou vecteurs d’énergie que sont le gaz, la chaleur et l’électricité.

Produire

Différentes briques technologiques sont à l’œuvre selon la forme/le vecteur d’énergie. Ainsi, pour le gaz renouvelable, les recherches se focalisent sur la production de syngas (ou gaz de synthèse) par conversion de la biomasse ou par hydrogénation de CO₂ issu de fumées industrielles. Concernant l’hydrogène, le CEA a mis au point un procédé d’électrolyse à haute température, développé à l’échelle industrielle par la société Genvia, qui permet un très haut rendement, tout en restant peu énergivore.

Le CEA a fait le choix de focaliser ses activités de recherches sur la production d’électricité par le nucléaire et le photovoltaïque. Dans le domaine du nucléaire, les SMR (Small Modular Reactor) font partie des pistes explorées. Ces derniers ont la particularité de pouvoir s’insérer dans des réseaux électriques locaux, et ils peuvent aussi être conçus pour produire à plus long terme de la chaleur ou de l’hydrogène (en les couplant par exemple avec des électrolyseurs haute température). Dans le domaine du solaire, l’accent est mis sur le développement de cellules photovoltaïques à rendement élevé (les cellules tandem) intégrées dans des systèmes photovoltaïques dont l’orientation et l’arrangement physique sont conçus pour maximiser la production électrique.

Enfin, concernant la production de chaleur, le CEA développe des capteurs solaires thermiques capables de produire de la chaleur solaire à basse (80°C), moyenne (200°C) et haute température (jusqu’à 450°C) pour les applications industrielles et réseaux de chaleur.

Convertir

Après avoir été produits, certains vecteurs d’énergie peuvent être convertis pour produire de l’électricité.

L’hydrogène, combiné avec de l’oxygène, peut produire simultanément de l’électricité et de la chaleur, grâce à une pile à combustible, qui est un convertisseur électrochimique. Au CEA, deux technologies de piles à combustible sont à l’étude : les piles à membranes échangeuses de protons, et les piles à oxydes solides anioniques.

Stocker

Enfin, les énergies renouvelables, par nature intermittentes, nécessitent donc des moyens de stockage performants pour pouvoir gérer au mieux l’équilibre offre-demande. Ces moyens peuvent être classés en deux types : le stockage thermique (qui comprend le stockage par chaleur sensible, le stockage par changement de phase et le stockage de chaleur par réaction chimique) et le stockage électrochimique par batteries. Dans ces dernières, l’électricité est stockée sous forme électrochimique, domaine dans lequel le CEA est également en pointe. L’un des axes de recherche repose notamment sur les batteries « tout solide ».

Du côté du vecteur hydrogène, trois types de stockage sont envisagés et étudiés au CEA : le stockage à haute pression (entre 200 et 700 bar), principalement utilisé pour la mobilité (stockage en réservoir) et le stationnaire (stockage géologique), le stockage basse pression dans des milieux solide (par exemple hydrures complexes) ou liquide (par exemple LOHC, ammoniac) capables d’absorber l’hydrogène et le restituer à la demande, et enfin le stockage de l’hydrogène sous forme cryogénique (à -253°C), réservé à des applications de très haute technologie comme la propulsion spatiale.

Tester les configurations et pilotage réseaux

Une plateforme pour tester des systèmes énergétiques complexes

L’objectif est de tester en grandeur réelle et avant leur déploiement, des solutions de gestion de l’énergie sur des réseaux complexes (électricité, gaz, chaleur). C’est le cas, notamment, de la Plateforme d’Intégration de Systèmes Energétiques (PISE) à Chambéry et de son extension SMART CAD en projet à Cadarache. PISE est une plateforme en environnement semi-virtuel, c’est-à-dire visant à tester des composants réels sur des réseaux réels, mais dont les usages sont simulés (virtualisés). Cela permet de créer des profils d’usage variés et d’identifier leurs impacts sur le fonctionnement global du système. Le projet d’extension à Cadarache aura pour objectif de suivre les usages réels d’environ 5 000 consommateurs, avec plus de 200 véhicules électriques disponibles et 125 points de recharge.

Des démonstrateurs territoriaux : l’exemple de la plateforme TOTEM

Différents démonstrateurs territoriaux sont mis en place en collaboration avec les équipes du CEA. La plateforme TOTEM, pour TOTal Energy Management, en fait partie. Installée à Labège, en région Occitanie Pyrénées Méditerranée et fonctionnelle depuis début 2020, cette plateforme expérimentale a pour objectif de concevoir le système énergétique d’un bâtiment de 650 m², et de l’amener à une autonomie complète grâce à un pilotage des usages en temps réel et à l’intégration de différentes technologies. Sa particularité est de faire le lien entre le monde du bâtiment et celui de la mobilité grâce à son système de pilotage et de production énergétique. Son fonctionnement s’appuie sur l’activité d’infrastructures (batteries, hydrogène, …) et sur la production photovoltaïque. Afin d’adopter une approche plus sobre de la consommation énergétique, les équipes pourront par ailleurs piloter la gestion énergétique du bâtiment grâce au développement d’Energy Management System (EMS), un outil de pilotage développé par le CEA et mis en place sur TOTEM.

Un exemple concret de réseau intelligent

Le CEA est partie prenante d’un projet de pilotage avancé, lancé en 2014, des réseaux de chaleur des villes de Metz et de Grenoble, en collaboration avec les opérateurs des deux villes (UEM à Metz et CCIAG à Grenoble). Un outil de pilotage du réseau de chaleur, DistrictLab-H, a ainsi été mis en place pour mieux gérer la production. Cet outil de simulation fait appel à des méthodes mathématiques avancées pour la modélisation, mais aussi à un système d’autoapprentissage basé sur l’intelligence artificielle pour gérer les demandes utilisateurs, par anticipation. Cela permet une gestion dynamique et en temps réel des réseaux. DistrictLab-H a été déployé en 2021 dans les deux villes et est actuellement utilisé.