Gros plan sur la recherche énergétique Contribution du Domaine des EPF à la restructuration du système énergétique

Gros plan sur la recherche énergétique Contribution du Domaine des EPF à la restructuration du système énergétique Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL

2 Sommaire 3 Avant-propos 4 Stratégie énergétique 2050 du Conseil fédéral 6 Remaniement complet du système énergétique 10 Champs d action de la recherche énergétique 12 Création de capacités de recherche supplémentaires 15 Investissements en infrastructures ainsi que dans les installations pilotes et de démonstration 18 Conclusion: Davantage de moyens et une politique cohérente Le groupe de travail ci-dessous a élaboré le rapport de référence du Domaine des EPF intitulé «Energy Research: Assessment of Technology Fields and Proposals for Additional Research Activities, 31.12.2011» à partir duquel la présente publication a été réalisée: Alexander Wokaun, responsable du Département de recherche énergétique et membre du comité exécutif de l Institut Paul Scherrer (PSI); direction du groupe de travail Konstantinos Boulouchos, responsable du Laboratoire de l aérothermochimie et des systèmes de combustion à l ETH Zurich Xaver Edelmann, membre de la direction de l Empa et responsable du domaine de recherche Matériaux pour les technologies énergétiques Massimo Filippini, membre du comité directeur de l Energy Science Center à l ETH Zurich Philippe Gillet, vice-président pour les affaires académiques à l EPFL Beat Hotz-Hart, membre du service Sciences de l état-major du Conseil des EPF Martin Jermann, membre du comité exécutif et chef de l état-major à l Institut Paul Scherrer (PSI) Hans Björn Püttgen, chaire de gestion des systèmes énergétiques, directeur de l Energy Center à l EPFL Peter Richner, membre de la direction de l Empa et responsable du département Génie civil et mécanique Roland Siegwart, vice-président pour la recherche et les relations économiques à l ETH Zurich

3 Chère lectrice, cher lecteur, Abandonner progressivement l énergie nucléaire jusqu en 2050 et réduire la consommation d électricité pour la ramener à un niveau inférieur à celui de 2010 tout en permettant à notre économie de rester compétitive, voilà les grandes lignes de la nouvelle orientation choisie par le Conseil fédéral pour sa politique énergétique. Cette décision de principe aura des répercussions considérables sur la société suisse: la consommation énergétique sera découplée de la croissance tandis que l approvisionnement et la consommation énergétiques seront revus de fond en comble. Pour maintenir les objectifs climatiques, il faudra en outre passer à de nouvelles sources d énergies renouvelables afin de remplacer une grande partie de la production d électricité issue du nucléaire, à faible émission de CO 2. Il s agit dès lors de développer massivement les énergies renouvelables. La nouvelle stratégie du Conseil fédéral implique ni plus ni moins de repenser l ensemble de notre système d approvisionnement, de mise à disposition et de consommation d énergie, et plus particulièrement d électricité. Le Parlement place de grands espoirs dans la recherche énergétique dont il attend une contribution majeure à ce changement de paradigme. Au cours des dix prochaines années, les scientifiques qui travaillent dans la recherche et le développement pourront effectivement contribuer à certaines avancées technologiques dont ils démontreront le potentiel dans le cadre de projets pilotes, en collaboration avec des partenaires industriels et économiques. Ceux-ci auront ensuite pour mission de veiller à ce que ces nouveautés soient introduites sur le marché dans des délais appropriés, avec l aide des responsables politiques qui créeront les conditions-cadres requises pour ce faire. Le Domaine des EPF a anticipé cette évolution au cours des dernières années et a choisi de fixer des priorités thématiques dans la recherche énergétique pour contribuer à l approvisionnement énergétique durable de la Suisse de demain. Dans ce contexte, il s est essentiellement penché sur la réduction des émissions de CO 2 et sur l efficience énergétique des processus. La stratégie énergétique du Conseil fédéral ouvre toutefois des dimensions entièrement nouvelles, ce qui pose des défis inédits. Pour que le Domaine des EPF puisse répondre à ces enjeux, il faudra compléter le Mandat de prestations qui lui a été confié, tout en augmentant l enveloppe budgétaire à sa disposition. Le présent document vous donne des indications sur les activités dans lesquelles le Domaine des EPF entend étoffer ses capacités et sur les moyens additionnels dont il a besoin pour accompagner efficacement la nouvelle politique énergétique par des contributions durables. Fritz Schiesser Président du Conseil des EPF

4 Stratégie énergétique 2050 du Conseil fédéral Le Conseil fédéral a décidé l abandon progressif de l énergie nucléaire, et le Parlement lui a donné son accord de principe. Les centrales nucléaires existantes doivent continuer à produire de l électricité jusqu au terme de leur durée de vie, tant qu elles peuvent être exploitées en toute sécurité, puis elles devront être retirées du réseau sans être remplacées. Le Conseil fédéral a présenté sa stratégie énergétique 2050 pour atteindre cet objectif. Définie dans le cadre de cette stratégie, la restructuration du système énergétique exige des efforts considérables et des changements radicaux au sein de l économie, mais aussi de la part des ménages et des consommateurs, dans la R+D ainsi qu aux niveaux politique et administratif. Les exigences du Conseil fédéral sont extrêmement ambitieuses, car la Suisse participe à l activité sociale et économique mondiale et doit conserver ses avantages compétitifs pour garantir le bien-être de ses habitants. Production d électricité en Suisse en 2010 En 2010, la Suisse a produit 66 TWh d électricité, 56% issus de l énergie hydraulique (centrales hydrauliques et de stockage, production hydraulique) et 38% de l énergie nucléaire. Le reste résulte de la production thermique conventionnelle, des usines d incinération des ordures ménagères (UIOM) et des installations de couplage chaleur-force (CCF), la part issue d énergies renouvelables s élevant à 1,3 TWh (2%), sans l énergie hydraulique. Les énergies photovoltaïque et l énergie éolienne ne contribuent à la production d électricité que pour une part d env. 0,1% chacun. Consommation d électricité en hausse En 2010, la consommation intérieure finale s est élevée à 60 TWh. Après un léger accroissement dans les années à venir, la demande d électricité doit être ramenée à 56 TWh par an d ici 2050 conformément à la stratégie du Conseil fédéral (y compris l extension de l accumulation par pompage à 62 TWh par an). Par rapport au scénario du statu quo de l Office fédéral de l énergie (OFEN), qui table sur une demande nationale de 83 TWh en 2050, cela correspond à une réduction grâce à des économies de 27 TWh, soit d env. 30%, et à une substitution de l énergie nucléaire s élevant à 20 TWh au moins, tout en conservant les objectifs en matière de politique climatique. Cette substitution constitue un enjeu de taille, non seulement en raison de sa Fig. 1: Production d électricité 2010 de 66 TWh Centrales nucléaires 38% Biogaz (à partir de l épuration des eaux Vent Soleil usées) chacun 0,1% 0,2% 56% 4% 2% Nouvelles énergies renouvelables Centrales thermiques classiques et autres Biomasse (bois) 0,3% 1,4% Ordures ménagères Centrales hydrauliques Source: OFEN, Statistique suisse de l électricité 2010 Stratégie énergétique 2050 du Conseil fédéral

Fig. 2: Consommation d électricité 2010 2050 en hausse 100 5 80 Economies: 27 TWh 60 40 20 Remplacement énergie nucl.: 20 TWh Consommation 2050 selon la nouvelle stratégie: 56 TWh 0 Consommation en 2010: 60 TWh Consommation en 2050 selon le «statu quo»: 83 TWh Consommation d électricité en hausse selon le scénario du «statu quo» de l Office fédéral de l énergie (OFEN). Economies selon la nouvelle stratégie énergétique 2050. grandeur absolue, mais aussi parce qu il s agit de remplacer l électricité produite dans une large mesure sans émission de CO 2 et l énergie en ruban. Bien entendu, des variations entre économies et substitution sont possibles. Au total, la demande finale d électricité doit se limiter à 56 TWh par an grâce à l accroissement l efficacité énergétique (à 62 TWh par an avec l accumulation par pompage) et être satisfaite, au terme du développement, par env. 40 TWh par an provenant de l énergie hydraulique, plus env. 22 TWh par an provenant des autres énergies renouvelables, et ce même si l on table sur une augmentation de la population à 9 millions et sur une croissance économique de 50% d ici à 2050. Il s agit là de changements radicaux. Les centrales nucléaires suisses peuvent rester opérationnelles jusqu au terme de leur durée de vie, tant qu elles peuvent être exploitées en toute sécurité. Des mises à niveau de la sécurité technique ayant été effectuées régulièrement par le passé et d autres devant intervenir à l avenir, la durée de vie de la centrale la plus ancienne est de 50 ans. Les installations les plus anciennes (soit un tiers de la production d électricité d origine nucléaire) seront déconnectées du réseau vers 2020; les plus récentes le seront vers 2045 au plus tard. Le remplacement progressif de ces centrales et l accroissement nécessaire de l efficacité énergétique doivent donc être atteints pour la majeure partie entre 2020 et 2045. Les valeurs cibles finales sont presque impossibles à atteindre avant 2050 et ne pourront peut-être pas l être entièrement d ici là. Dès lors, il sera nécessaire, pendant une période transitoire, d importer plus d électricité (dont la qualité reste à définir) et/ ou de construire ou d utiliser des centrales à gaz à cycle combiné. En raison de leur durée d amortissement et de leur durée de vie de 20 à 25 ans, ces centrales serviront à assurer la sécurité et la flexibilité de l approvisionnement en électricité pendant une longue période de transition. L augmentation des émissions de CO 2 provoquée devra être réduite au moyen du captage et du stockage du carbone ou compensée par d autres moyens. La stratégie énergétique Les priorités du Conseil fédéral (décision du 25 mai 2011): Réaliser des économies grâce à l accroissement de l efficacité énergétique Développer l énergie hydraulique (de 3 à 4 TWh pour passer de 37 TWh en 2010 à 40 TWh d ici 2050, y c. augmentation de l accumulation par pompage d env. 10 TWh jusqu en 2050) Développer la production d électricité à partir des autres énergies renouvelables (1,3 TWh en 2009) jusqu à épuisement du potentiel de 22 TWh d ici à 2050 Tant que l électricité issue des énergies renouvelables n est pas disponible ou ne l est pas encore en quantité suffisante, couvrir les besoins restants par une production complémentaire de courant à partir d énergies fossiles principalement par le CCF (de 0,8 TWh en 2010 à 8,2 TWh jusqu en 2050) et, accessoirement, par les centrales à gaz à cycle combiné et par des importations Stratégie énergétique 2050 du Conseil fédéral

David Hamp/Johnér Images/Corbis 6 Remaniement complet du système énergétique Avec les objectifs climatiques de la Suisse en toile de fond, la nouvelle stratégie énergétique implique d accorder une attention particulière à la chaleur ainsi qu aux carburants, et surtout à l électricité. A cet égard, il faut tenir compte de la substitution partielle des énergies fossiles par l électricité dans les secteurs du bâtiment (pompes à chaleur) et des transports (électromobilité). Les piliers de la stratégie énergétique Objectif d efficacité Objectif de substitution Réseaux et stockage Objectif climatique s accompagner de mesures politiques efficaces. Il faut en outre tenir compte de «l énergie grise», c.-à-d. que cette dissociation ne peut pas intervenir en se contentant de délocaliser à l étranger (en Chine, p. ex.) les processus de fabrication énergivores. Il faut éviter de générer d autres nuisances environnementales à l échelle mondiale. Réaliser des économies en améliorant l efficacité est une chose. Mais il faut aussi faire preuve de circonspection dans l usage des prestations énergétiques nécessaires en Suisse et dans le monde. Cette philosophie de l utilisation techniquement judicieuse de l énergie est un objectif à transmettre aux générations futures. Objectif d efficacité L ampleur des économies visées correspond à une réduction massive de l énergie finale disponible par unité de PIB brut (kwh par unité de PIB, exprimé en La question de la demande d énergie doit dans une large mesure être décorrélée de la problématique de la croissance économique et démographique. francs). Elle nécessite une réduction de l intensité énergétique (ensemble de l économie nationale) de 2% par an (par rapport au taux historique de 0,5% par an ou de 1% par an dans le scénario de référence), ce qu il faudra réaliser en accroissant l efficacité énergétique. Il faut donc distinguer les besoins énergétiques de la croissance de l économie et de la population. Une telle rupture de la tendance actuelle n aboutira qu en combinant judicieusement la réorientation efficace de la politique énergétique avec les progrès enregistrés dans le développement et l utilisation de nouvelles technologies. Des efforts accrus en matière de recherche énergétique sont donc nécessaires, p. ex. pour améliorer l efficacité des processus industriels et l efficience dans la fourniture de prestations énergétiques destinées au client final. Sur certains de ces segments, l accent est mis dès le développement et l introduction sur le marché. Pour aboutir, la pénétration du marché doit Les enjeux du développement massif des énergies renouvelables La production des installations photovoltaïques de Suisse s est montée à quelque 110 MW en 2010. Pour remplacer la production annuelle d env. 8 TWh d une centrale nucléaire par la production de 1 GW, il faudrait installer des systèmes photovoltaïques atteignant une production de pointe de 8 GW. Leur construction générerait (une seule fois, en fonction de la technologie utilisée) de 5 à 8 millions de tonnes de CO 2. La surface requise pour de tels modules est d env. 50 millions de m 2, soit 6 m 2 par habitant. Supposons que ces systèmes soient opérationnels d ici 40 ans, cela correspondrait à 25 000 m 2 par semaine de travail: une fois par semaine, il faudrait donc mettre en service 400 grandes toitures produisant chacune 10 kw. D où la nécessité de développer les infrastructures ad hoc et des entreprises spécialisées. Si, pour produire ces 8 TWh manquants chaque année, on optait provisoirement pour des centrales à gaz à cycle combiné, les émissions de CO 2 supplémentaires en Suisse se monteraient à 2,7 millions de tonnes par an. Pour respecter les objectifs climatiques, il faudrait soit limiter ces émissions grâce à leur captage et à leur stockage, soit les compenser par d autres moyens. Il n a pas été envisagé de remplacer la totalité des 25 TWh d électricité nucléaire en recourant aux centrales à gaz. Remaniement complet du système énergétique

Monty Rakusen/cultura/Corbis 7 Un développement massif est nécessaire: les énergies renouvelables doivent connaître une croissance exponentielle. Objectif de substitution* Atteindre tous les objectifs climatiques simultanément constitue un enjeu de taille. Pour y parvenir, il est prévu de substituer une partie des énergies fossiles par l électricité dans les secteurs du bâtiment et des transports. S ajoute à cela la nécessité La part des nouvelles énergies renouvelables doit être multipliée par 20 (y compris celle de l électricité provenant des déchets et du bois). de compenser le recul progressif des capacités de production d électricité des centrales nucléaires par le développement de l énergie hydraulique ainsi que des énergies renouvelables traditionnelles et nouvelles, et par des importations d électricité à faible émission de CO 2. La production d électricité nucléaire se montait à 25 TWh en 2010, soit 38% de la production nationale. En complément des améliorations de l efficacité, il reste env. 20 TWh à substituer d ici 2050. Dans cette optique, il faut augmenter sensiblement la part des énergies renouvelables (sans l électricité hydraulique) pour la faire passer d env. 2% à 40% ou, en chiffres absolus, de 1,3 TWh par an aux quelque 22 TWh potentiels par an. Les énergies renouvelables doivent donc être développées massivement, leur part à la production totale devant être multipliée par vingt si l on inclut la production d électricité à partir de déchets ménagers et de déchets de bois, et augmentée de plusieurs ordres de grandeur si l on envisage les énergies éolienne et photovoltaïque (cf. encadré, p. 6). Les expériences de ces dernières années, notamment dans le cadre du projet de transformation de la biomasse en électricité (dans des centrales de chauffage au bois), révèlent que ce type d installations n a pas bonne presse auprès de la population. Cette réaction s explique par la faible densité énergétique du bois et donc par les importants flux de matières nécessaires à la production de grandes * Objectif de substitution ou contribution à la couverture des besoins en cas d une évolution à la baisse de la demande, conformément à la nouvelle politique énergétique. quantités d électricité. De plus, les nuisances locales imputables aux immissions et aux émissions sont encore trop élevées pour être acceptées par le plus grand nombre. Les besoins en R&D et en investissements se font donc plus pressants dans les différents domaines de la production d énergies renouvelables. Même en cas de soutien appuyé, le développement des énergies renouvelables se déroule selon un rythme propre à chaque technologie pour générer les effets escomptés. Il faut, d une part, mettre sur pied l infrastructure requise et, d autre part, tenir compte des taux de croissance annuels limités. Pour couvrir les besoins en électricité, il faudra des installations de CCF (avec un combustible fossile ou biogène) ou des centrales à gaz à cycle combiné au moins jusqu en 2035. Des efforts de recherche se révèlent indispensables pour optimiser l efficacité globale et offrir de nouvelles possibilités de compenser ou d éviter les nuisances locales et les émissions de CO 2 (par captage et stockage du carbone). Les réseaux d électricité doivent être transformés rapidement et en profondeur en réseaux intelligents (smart grids). Réseaux et stockage L un des problèmes principaux de la nouvelle stratégie est de trouver une solution de remplacement à l énergie nucléaire, qui permette d assurer un approvisionnement constant. La mise à disposition d énergie selon le nouveau concept présente des différences majeures par rapport au concept existant. Elle est bien plus décentralisée et subit de fortes variations tant temporelles que saisonnières. De ce fait, les réseaux et le stockage doivent présenter des propriétés fondamentalement différentes, mais indispensables au bon fonctionnement et à la stabilité du nouveau système. Au regard de l éventualité d une importation de courant et vu l intérêt d en exporter à l étranger, le raccordement optimal du réseau de transport au réseau européen est hautement prioritaire. Il est impératif de développer et Remaniement complet du système énergétique

8 de transformer les réseaux de distribution à plusieurs niveaux de tension pour en faire des «smart grids» et répondre ainsi aux exigences réglementaires en matière d alimentation décentralisée de courant à partir d énergies renouvelables. C est toute secteur suisse de l électricité qui est concerné et qui doit agir de manière con certée afin d apporter une contribution centrale à la mise en œuvre. L intensification des efforts fournis dans la recherche et les progrès qui en résulteront en matière de réseaux et de stockage revêtiront eux aussi une importance capitale, constituant ainsi un enjeu particulièrement ambitieux pour le Domaine des EPF, néanmoins bien positionné. Les centrales combinées à gaz, et partant l exploitation du gaz naturel, seront incontournables pour assurer la transition. Objectif climatique L objectif climatique fixé par l UE stipule que les pays industrialisés sont tenus de réduire leurs émissions de CO 2 de 80% d ici 2050. En Suisse, ces réductions concernent les secteurs des transports, du bâtiment et de la chaleur industrielle. L introduction de mesures d accroissement de l efficacité dans ces domaines peut entraîner une augmentation de la consommation d électricité. Les centrales à gaz à cycle combiné et, partant, l exploitation de gaz naturel seront vraisemblablement une solution de transition inévitable à moyen terme jusqu en 2050 au moins en ce qui concerne la mise à disposition de courant. Les installations de CCF fonctionnant en partie avec des combustibles fossiles font partie de la stratégie jusqu en 2050. Vu les capacités actuelles des conduites, il semble envisageable de recourir en partie au gaz naturel à court terme. En partant de l hypothèse d env. cinq centrales à cycle combiné gaz-vapeur avec un rendement de 500 MW chacune, une durée d exploitation de 4000 heures par an et une production totale de courant de 10 TWh, il faut trouver des méthodes pour compenser les émissions de CO 2 qui en résultent (soit env. 3,4 millions de tonnes) afin de respecter cet objectif climatique européen. Au vu du défi que représentent le captage et le stockage du CO 2, la recherche énergétique doit trouver le moyen de réduire au maximum les pertes d efficience dues au captage et identifier les propriétés que doivent posséder les formations géologiques susceptibles de permettre le stockage étanche du CO 2 pendant mille ans au moins. Après les vérifications techniques relatives aux sites appropriés, la mise sur pied de ces installations n est économiquement judicieuse qu en cas d utilisation durable. Avant cela, il faut aussi étudier l acception et les moyens de rallier les habitants à la cause climatique, et veiller à ce que les politiques clarifient les questions sensibles de faisabilité juridique. On pourrait aussi créer, avec d autres pays, les conditions de stockage ou de réutilisation partielle du CO 2. La production de carburants liquides en concentrant le rayonnement solaire (solar fuels) constituerait une option intéressante. Nécessité d une solution systémique Le tournant énergétique n aura pas lieu en une seule fois. Une restructuration profonde de tout le système énergétique (mise à disposition, approvisionnement et utilisation) s impose, nécessitant une coordination des efforts. Cette dépendance réciproque rend la planification et la mise en œuvre de la stratégie, ainsi que l interaction entre recherche, économie et politique plus difficiles et Il s agit de reconsidérer complètement les rapports qu entretiennent la société et l économie avec l énergie. Ni plus ni moins! risquées. Il ne s agit pas simplement d une rupture nette de la tendance, mais bien d une réorganisation de la gestion de l énergie par l économie et la société, en Suisse et à l étranger. Tout au long de ce processus, il convient d analyser et d organiser les interactions entre science, technique, économie mondiale et société. Le Domaine des EPF a les compétences requises pour analyser des systèmes aussi complexes, et il est capable d accompagner la gestion du processus de transformation. Il dispose pour ce faire d un bon réseau international dans les milieux scientifiques et techniques. Remaniement complet du système énergétique

9 Stratégie énergétique du Conseil fédéral: le développement de l énergie hydraulique avec l accumulation par pompage est un des objectifs prioritaires. Remaniement complet du système énergétique

10 Champs d action de la recherche énergétique Comme on vient de le voir, la recherche énergétique, qui interagit avec la politique et l économie énergétiques, doit relever des défis précis et répondre à des attentes. A un horizon de cinq à quinze ans, la recherche et le développement peuvent contribuer à l élaboration de solutions techniques et en faire la démonstration dans des projets pilotes et des projets phare pour les lancer ensuite sur le marché dans des délais appropriés (d ici à 2035 ou 2050). Des thèmes de recherche ont été proposés en relation avec les cinq champs d action de la stratégie énergétique du Conseil fédéral. De nombreux experts du Domaine des EPF (voir à ce sujet l évaluation des domaines technologiques et le rapport de base du Domaine des EPF, cf. p. 2) les jugent dotés d un fort potentiel permettant de contribuer à la réalisation de l objectif (cf. encadré p. 11). Ces thèmes de recherche devraient bénéficier de ressources supplémentaires et faire l objet d efforts accrus. L enseignement doit lui aussi être intensifié dans tous ces domaines. Les cinq champs d action de la recherche énergétique Efficacité énergétique Réseaux électriques intelligents et systèmes énergétiques interconnectés Stockage de l énergie Mise à disposition de l énergie Economie, écologie et société Il est essentiel de mettre l accent sur ces secteurs d avenir dans la recherche, bien sûr, mais aussi dans l enseignement pour permettre aux futurs décideurs et acteurs du marché énergétique de s y familiariser. Jamie Grill Photography/Tetra Images/Corbis Nouvelles énergies renouvelables: l éolien ne représente aujourd hui qu environ 0,1% de la production électrique. Ce domaine doit lui aussi être développé massivement. Champs d action de la recherche énergétique

11 Champs d action et thèmes de recherche à fort potentiel, pouvant contribuer à la nouvelle politique énergétique et qui sont proposés pour bénéficier de mesures d encouragement supplémentaires Efficacité énergétique Technique du bâtiment plus efficace Processus industriels efficaces du point de vue énergétique; catalyse pour une technique des procédés efficace Technologie d information et de communication efficace du point de vue énergétique Nanomatériaux pour la technique énergétique Transports: matériaux composites légers pour la mobilité Réseaux électriques intelligents et systèmes énergétiques interconnectés Réseaux et stabilité de ceux-ci Injection de courant issu des énergies renouvelables dans le réseau électrique Systèmes énergétiques urbains, intégration d énergies renouvelables dans les bâtiments et les quartiers Projet global de systèmes énergétiques Evaluation du cycle de vie des systèmes énergétiques Mobilité assurée par des véhicules hybrides en tant que solution intermédiaire de stockage Stockage de l énergie Technologies de stockage centralisé; accumulation par pompage / électricité hydraulique; accumulateurs pneumatiques Stockage électromécanique; volants d inertie Stockage de l électricité, supercondensateurs (supercaps) Stockage électrochimique décentralisé de l énergie Processus chimiques efficaces pour le stockage Stockage de l énergie solaire dans des combustibles solaires Electrolyse pour la production d hydrogène avec les énergies photovoltaïque et éolienne Mise à disposition de l énergie Géoénergie: technique de forage, raccordement et gestion des réservoirs, mise à disposition flexible d électricité et de chaleur Cycle du carbone (stockage et utilisation du CO 2 ) Photovoltaïque nouvelles générations de cellules efficientes Bioénergie base de matières premières, fondements, génie des procédés Energie éolienne Couplage chaleur-force, en particulier en association avec des vecteurs énergétiques biogènes Energie hydraulique Economie, écologie, société Economie et gestion du secteur énergétique, y c. les aspects régionaux tels que les «villes intelligentes» (smart cities) Politique énergétique Impact des nouveaux systèmes énergétiques Comportement des acteurs dans le contexte de systèmes alternatifs de régulation, questions liées à l acceptation Interdépendance des systèmes énergétiques à l échelle mondiale et conséquences Utilisation parcimonieuse des prestations énergétiques (autorestriction) Champs d action de la recherche énergétique

12 Recherche nucléaire La recherche sur la fission nucléaire doit être poursuivie afin de conserver et de perfectionner les compétences requises en technique nucléaire. Il s agit essentiellement de traiter les questions de la sécurité des centrales nucléaires, mais aussi du traitement et du stockage des déchets radioactifs. Il est particulièrement important de former une relève scientifique qualifiée pour assurer l exploitation et, à plus longue échéance, le démantèlement de ces centrales. Signalons par ailleurs que la recherche nucléaire concerne aussi d autres applications, p. ex. dans la technique médicale. La fusion nucléaire doit être exclue de la réflexion sur la Stratégie énergétique 2050 de la Suisse. La recherche sur la fusion nucléaire de la Suisse fait aujourd hui partie intégrante des activités de recherche menées dans le cadre d un programme international et elle y contribue de manière déterminante. A la demande du Secrétariat d Etat à l éducation et à la recherche (SER), le Conseil des EPF a défini, lors de sa séance des 2 et 3 mars 2011, sa stratégie pour la recherche en matière de fusion nucléaire pour les années 2013 à 2016. Cette stratégie prévoit que le Domaine des EPF participe aux programmes européens sur une base scientifique. Pour ce faire, le Domaine devra toutefois disposer de fonds supplémentaires. Sur le plan mondial, on considère que la fusion constitue une option à envisager pour la production d électricité à grande échelle. Cependant, il est peu vraisemblable que la fusion nucléaire puisse être utilisée à cette fin avant 2050. Le défi consistant à concilier compétitivité et baisse des coûts de revient des énergies renouvelables ne cesse de s intensifier. C est pourquoi il faut s attendre à ce que cette source d énergie ne soit pas prise en considération dans la stratégie énergétique de la Suisse à l horizon 2050. Création de capacités de recherche supplémentaires Pour permettre à la recherche énergétique d apporter sa contribution de manière durable dans les domaines thématiques évoqués, le renforcement des capacités devra s effectuer progressivement et dans une optique à long terme. Il convient à cet égard de s appuyer sur les compétences existantes dans les institutions du domaine scientifique concerné. De plus, il faut exploiter les synergies entre les institutions de recherche qui ont déjà travaillé dans la recherche énergétique ces dernières années afin d obtenir un effet de levier maximal. Il s agit de tenir compte du lien entre la recherche et l enseignement. Il est donc proposé de créer de nouvelles équipes de recherche et de nouvelles chaires d enseignement puis de renforcer l infrastructure scientifique nécessaire pour ce faire. Il est prévu de mettre en place chaque année quatre nouvelles équipes de recherche, avec l infrastructure requise, dans les domaines cités dans la figure 4 (cf. encadré p. 13). Les chaires d enseignement et les équipes de recherche doivent coopérer avec l économie de sorte que les résultats des activités de recherche puissent être transmis directement à l industrie et aux acteurs de l économie énergétique en vue de leur transposition pratique. Champs d action de la recherche énergétique

13 Thèmes nécessitant la mise sur pied de nouvelles équipes de recherche au sein du Domaine des EPF Efficacité énergétique 2013-2016 Valorisation des nanotechnologies pour les matériaux innovants sur le plan énergétique Bâtiments et quartiers à basse consommation énergétique et à faibles émissions Centre de catalyse pour des processus industriels efficients Mobilité multimodale en réseau et à très faibles émissions 2017-2020 Efficacité industrielle Matériaux légers pour la technique des véhicules Réseaux électriques intelligents et systèmes énergétiques interconnectés 2013-2016 2017-2020 Systèmes énergétiques complexes: modèles, Concepts évolués pour les régions urbaines scénarios, gestion Intégration de la production décentralisée dans Nouveaux concepts urbains le système Electronique à haute performance pour les Quartiers et communes en autarcie énergétique réseaux intelligents Efficacité de l utilisation des ressources Electromobilité Stockage de l énergie 2013-2016 Stockage de l énergie thermique Stockage de l énergie électrique, piles Electrolyse, électrochimie Accumulation par pompage à haute puissance 2017-2020 Thermochimie solaire Utilisation et stockage des rejets de chaleur, par exemple grâce à la thermoélectricité Mise à disposition de l énergie 2013-2016 Géothermie ainsi que captage et stockage du carbone (CSC) «Géo-ingénierie» Photovoltaïque en couches minces, notamment les technologies de fabrication Production de combustibles biogènes Production décentralisée d électricité, de chaleur et de froid à partir de la biomasse 2017-2020 Photovoltaïque Combustibles solaires Exploitation thermique de combustibles biogènes dans la production décentralisée d électricité et de chaleur Economie, écologie, société 2013-2016 Economie et politique énergétiques Gestion des ressources et recherche socioéconomique 2017-2020 Innovation et politique énergétique Société et politiques publiques Economie des ressources Recherche socioéconomique Champs d action de la recherche énergétique

14 Le Domaine des EPF a anticipé l importance de la recherche énergétique et fixé une priorité thématique en la matière (cf. Plan stratégique 2012 2016 du Conseil des EPF pour le Domaine des EPF et plans stratégiques précédents). Ces dernières années, la recherche énergétique a bénéficié de la redistribution de certains fonds, et les travaux de haut niveau qualitatif ont encore été intensifiés, de sorte que 140 millions de francs ont été investis dans des activités liées à la recherche énergétique en 2009, dont 115 millions étaient issus de ressources budgétaires. Entre 2009 et 2011, l'eth Zurich a p. ex. créé neuf autres chaires (en partie avec les établissements de recherche) dans la recherche électrique, le stockage de l'énergie, la construction durable et donc dans l'efficience énergétique. Pour ce faire, elle a procédé à une réallocation interne de ses fonds ordinaires. Cette évolution a parfois bénéficié de financements assurés par des fonds de tiers, ce qui a accéléré le processus. Le financement à long terme sera pris en charge par l'eth Zurich et, dans certains cas, par les établissements de recherche (électrochimie et catalyse). L'EPFL a opéré elle aussi à des changements d'orientation majeurs en faveur de la recherche énergétique durant cette même période, notamment au sein de la faculté «Environnement naturel, architectural et construit (ENAC)». Grâce au soutien de l industrie, il lui a été possible de fonder un centre dédié au stockage de l énergie ainsi qu aux énergies renouvelables et de créer une chaire consacrée aux systèmes électriques distribués. Par ailleurs, une dizaine d instituts de l EPFL (consortium «EcoCloud») combinent leurs connaissances de pointe depuis 2011 pour réduire la consommation électrique croissante des grands centres informatiques. En janvier 2012, le canton du Valais et l EPFL ont en outre annoncé vouloir créer ensemble onze nouvelles chaires, notamment dans la recherche énergétique. Le PSI, quant à lui, a déjà pris plusieurs mesures de réorientation concrètes ces dernières années. C est ainsi qu il a été décidé, en 2011, d arrêter Proteus, le dernier réacteur de recherche «zéro puissance». D importantes infrastructures de recherche ont été créées pour le Centre de compétences en énergie et mobilité (CCEM). De plus, les activités du Laboratoire d énergétique et des cycles de matières ont été réorientées sur l utilisation des bioénergies et sur la catalyse. Les scientifiques du nouveau laboratoire «Catalyse et chimie durable» ont mis au point des méthodes de caractérisation avancées pour les catalyseurs en se servant de la Source de Lumière Synchrotron Suisse (SLS). L'Empa a également utilisé les fonds qui lui ont été alloués pour mettre sur pied de nouvelles infrastructures performantes au service de la recherche énergétique, et dispose p. ex. d'un nouveau banc d'essais dynamique pour les moteurs et Les attentes élevées de la politique fédérale exigent un redimensionnement des efforts à fournir en matière de recherche énergétique ces prochaines années. d'une soufflerie utilisée dans le cadre de la recherche en matière de constructions. Son département «Mobilité, énergie et environnement» a été renforcé, notamment suite à la création de la section «Hydrogène et énergie». Nombreuses sont les activités de recherche sur les matériaux qui consacrent l essentiel de leurs efforts aux questions énergétiques. Le Domaine des EPF n a cessé de consacrer des ressources considérables à la recherche énergétique en puisant dans son financement de base, et il continuera de le faire à l avenir. La décision de principe prise par le Conseil fédéral le 25 mai 2011 et les attentes élevées du Parlement impliquent cependant qu il faille déployer des efforts sans précédent dans la recherche énergétique au cours des prochaines années. Pour pouvoir traiter les thèmes cités précédemment de façon plus intense et plus approfondie, il est indispensable de disposer de moyens supplémentaires. Une équipe de chercheurs dans une école polytechnique ou dans un établissement de recherche revient en moyenne à 2 millions de francs par équipe et par an. Champs d action de la recherche énergétique

15 Fig. 3: Création progressive d équipes de recherche supplémentaires Nouvelles équipes 4 4 4 4 2013 2014 2015 2016 Total pour la période législative 2013 2016 en mio CHF Equipes opérationnelles 4 8 12 16 Coûts/an pour toutes les équipes opérationelles, 8 16 24 32 80 en mio CHF Voici l échelonnement dans le temps pour le crédit supplémentaire demandé pour le Domaine des EPF au cours de la période législative 2013 2016 (cf. fig. 3). Il est proposé de reconduire ces mesures de renforcement des capacités pour la période 2017 2020. Le plan d action «Recherche énergétique suisse coordonnée» propose plusieurs modèles de financement qui comportent, dans des proportions comparables, à la fois des fonds issus du financement de base et d autres ressources provenant de fonds acquis sur concours. La décision de l affectation de ces ressources, lorsqu elles auront été approuvées, incombe au Conseil des EPF, qui s appuie pour ce faire sur des plans de recherche et d enseignement scientifiquement fondés dans le but de soutenir la mise en œuvre de la stratégie énergétique. Le processus de sélection des équipes et les contrôles de L ampleur du défi et la complexité des systèmes requièrent une recherche interconnectée et des collaborations à l échelle nationale. qualité sont conformes aux méthodes reconnues. L ampleur des enjeux et la complexité des systèmes impliquent la mise en réseau des chercheurs ainsi que des collaborations à l échelle nationale entre le Domaine des EPF, les hautes écoles spécialisées, les universités et l industrie. C est pourquoi il convient de créer des centres de compétences ou d attribuer un mandat élargi aux centres existants qui fonctionnent avec succès, lesquels seraient chargés de poursuivre cet objectif avec la participation de toutes les institutions de formation et de recherche pour se concentrer sur des projets de coopération ciblés, traitant des principaux défis inhérents au système énergétique. Il est prévu de financer ces réseaux thématiques sur le modèle des partenariats public-privé (PPP), à partir de fonds issus de l enveloppe budgétaire demandée, mais aussi grâce à des fonds secondaires et à des fonds de tiers acquis sur concours. L utilisation stratégique de ces ressources supplémentaires jusqu en 2020 est nécessaire pour donner aux nouvelles technologies recherchées ne serait-ce qu une chance, après leur mise en valeur et leur introduction sur le marché, d apporter leur contribution à la réalisation des objectifs de politique énergétique (voir également les conclusions en p. 18) et d atteindre ainsi les objectifs visés pour les années 2035 et 2050. Comme il ressort des explications qui vont suivre, les interactions avec l industrie sont capitales dans ce contexte pour faire en sorte que les résultats des activités de recherche puissent être développés et faire leur entrée sur le marché en tant qu innovations. Investissements en infrastructures ainsi que dans les installations pilotes et de démonstration Deux étapes sont nécessaires pour que les technologies innovantes puissent passer de l échelle du laboratoire au niveau de maturité requis par l industrie pour les développer. Le passage à l échelle supérieure, c.-à-d. le recours à des installations pilotes de laboratoire dans les établissements de recherche pour tester une nouvelle technologie à l échelle industrielle requise, requiert tout d abord des investissements en infrastructures. Des installations pilotes et de démonstration (P+D) peuvent ensuite être mises en place «sur le terrain». En tant que prototypes non-commerciaux, elles requièrent un cofinancement par des fonds publics et privés Champs d action de la recherche énergétique

Atmosphère Captation in dustrielle de CO 2 Air sans CO 2 CO 2 16 Combustible synthétique Synfuel Usine Eau Electricité de sources renouvelables Vision de l approvisionnement énergétique de demain: il sera possible de fabriquer des carburants synthétiques à partir d éco-courant et de CO 2. Ces «synfuels» permettront de remplir les réservoirs des voitures, des camions et des avions. Les gaz à effet de serre et les gaz d échappement seront «repompés» et réutilisés. (de l industrie). Il s agit à cet égard d utiliser des fonds publics lorsque les risques, mais aussi la probabilité de réussite, sont élevés. Les montants à dégager pour financer les projets proposés ont été estimés par des experts directement impliqués. Les investissements recommandés pour les mesures visant les infrastructures doivent permettre aux futures équipes de recherche de faire leur travail et couvrent des domaines à fort potentiel, susceptibles de faciliter le tournant énergétique. Ces mesures étant indispensables pour la réalisation ultérieure, l accent se place sur la période budgétaire 2013 2016. La répartition proposée, qui prévoit deux périodes budgétaires, implique l établissement de priorités dans le calendrier. Selon les termes du Message FRI 2013 2016, le financement de ces investissements n est pas prévu dans l enveloppe budgétaire du Domaine des EPF ni couvert par celle-ci. Ces investissements ne pourront donc pas voir le jour si aucuns moyens supplémentaires L argent public doit être investi là où les risques, mais aussi les opportunités sont de taille. ne sont dégagés pour le financement de base. Dans les hautes écoles, le choix des infrastructures à mettre en place est étroitement lié au choix des futures chaires, et les dépenses correspondantes sont en partie comprises dans les coûts de mise en place des nouvelles équipes. Des investissements conséquents dans les infrastructures de laboratoires seront nécessaires pour la période 2013 2020 (concepts énergétiques avancés et efficience énergétique industrielle). La construction et l exploitation de grandes infrastructures de recherche font partie de la mission première des établissements de recherche. Pour illustrer ce propos, voici quelques propositions en vue de la réalisation de plateformes dédiées à la recherche et au transfert de technologie (Research and Technology Transfer Platforms, RTTP). Le volume total de financement, qui englobe les propres prestations des institutions, les investissements et les prestations de recherche dans le cadre du plan d action «Recherche énergétique suisse coordonnée», devrait atteindre un montant à deux chiffres en millions de francs pour presque tous les projets, avec des horizons temporels différents. Plateforme de la recherche et technologie NEST pour une technologie du bâtiment durable et efficiente sur le plan énergétique (Empa) Smart Campus: fonction de modèle des différents sites (ETH Zurich, EPFL, PSI et Empa/Eawag) Utilisation de la géothermie profonde (ETH Zurich) Captage, stockage et utilisation du carbone (CSC) (consortium issu du Domaine des EPF) Utilisation de la force hydraulique (turbines de pompage et petites centrales hydrauliques modulables) (EPFL) Utilisation de l énergie solaire (photovoltaïque, énergie solaire thermique, intégration) (EPFL) Transformation de la biomasse en méthane (PSI) Transformation, stockage chimique et utilisation de nouvelles formes d énergie renouvelable (PSI, Empa) Installations d expérimentation pour la recherche sur la sécurité nucléaire (PSI) Les installations pilotes et de démonstration doivent être réalisées en tant que «projets phare» afin que les acteurs au sein de la société, les acteurs politiques et ceux issus du secteur de l économie énergétique comprennent de manière tangible le potentiel que recèlent les nouvelles solutions. Elles sont mises au concours et planifiées par l Office fédéral de l énergie (OFEN), en accord avec l industrie, laquelle se charge généralement de leur réalisation et obtient ainsi la possibilité de tester à plus grande échelle de nouveaux procédés mis au point par les chercheurs. La Confédération participera au financement des installations P+D de manière appropriée par l intermédiaire de l OFEN. D après les estimations, le total des besoins devrait correspondre à un ordre de grandeur de 300 millions de francs, ce qui est encore à confirmer. L OFEN table sur une participation de la Confédération de 25%, soit sur 80 millions de francs pour la période 2013 2016. Champs d action de la recherche énergétique

17 Technologie dans le secteur du bâtiment: la plateforme NEST dédiée aux technologies innovantes et durables dans le domaine du bâtiment. Photovoltaïque: des cellules photovoltaïques à couche mince légères et souples. Les chercheurs du Domaine des EPF participeront à la formulation de propositions pour les installations P+D. Ils accompagneront leur réalisation et se chargeront eux-mêmes des mesures et des études menées dans les installations sur le terrain. On Les installations pilotes et de démonstration doivent être réalisées en tant que «projets phare». peut s attendre à ce qu une partie des ressources allouées par la Confédération (env. 50%, soit 10 millions de francs par an) soient réservées pour financer ces activités. Voici quelques idées de projets P+D soumises par la communauté des chercheurs (avec un ordre de grandeur du total des coûts de réalisation) et qui doivent être concrétisées ultérieurement en étroite collaboration avec l OFEN. Technique du bâtiment innovante (20 mio CHF) Démonstration de réseaux électriques intelligents (smart grids) avec stockage décentralisé et intégré (les coûts dépendent de la taille de la région pilote) Forages d essai pour la géothermie (cinq forages, 40 mio CHF chacun) Installation de démonstration pour la production de méthane à partir du bois (28 mio CHF) Réalisation d un réseau d installations de couplage chaleur-force décentralisées utilisant des carburants biogènes (15 mio CHF) Anaérocombustion (Chemical Looping Combustion, CLC) pour isoler, puis pour stocker le CO 2 rejeté par les turbines à gaz (11 mio CHF) Démonstration de la production de carburants liquides à partir de la lignine (14 mio CHF) constitue un élément important de la stratégie énergétique. Parmi les différentes technologies à disposition, la géothermie présente un fort potentiel en matière de production d électricité. Pour l exploiter, il est indispensable de procéder à des forages d essai très coûteux, auxquels les hautes écoles spécialisées et les universités devraient aussi participer financièrement. Il existe des synergies à exploiter entre les investigations géologiques effectuées en vue de la production d électricité d origine géothermique et celles réalisées dans la perspective d un éventuel stockage du CO2 dans les formations géologiques du Plateau suisse et en Valais. Concernant cette seconde application, il s agira de tirer parti des expériences recueillies dans le cadre de projets pilotes européens, qui portent sur des aspects techniques et sociétaux. A cet égard, l anaérocombustion (Chemical Looping Combustion, CLC) est l une des techniques qui pourra être utilisée pour isoler (capturer) puis pour stocker le CO2 rejeté par les centrales à gaz à cycle combiné. La production de méthane à partir du bois et la production de carburants liquides à partir de la lignine concernent directement une autre priorité majeure liée à l utilisation la biomasse. Grâce à cette source d énergie renouvelable disponible en Suisse, il sera possible de produire des agents énergétiques chimiques de qualité, qui pourront être stockés et transportés. Il convient de relever que l existence des installations P+D demeurera nécessaire au-delà de 2020. La technique du bâtiment, qui fait partie du champ d action «Efficience», revêt une haute priorité. C est pourquoi il est important de présenter des approches novatrices pour susciter l intérêt du public et favoriser ainsi la mise en œuvre pratique à plus large échelle. De même, le stockage décentralisé de l énergie au sein de réseaux intelligents Champs d action de la recherche énergétique

18 Conclusion: Davantage de moyens et une politique cohérente Le Domaine des EPF a impérativement besoin de moyens supplémentaires pour apporter sa contribution. Des efforts de recherche hors du commun nécessitent des ressources hors du commun. Contribuer au renforcement de la recherche énergétique en redistribuant des fonds alloués au sein du Domaine des EPF dans le cadre de l enveloppe budgétaire prévue pour la période 2013 2016 impliquerait des ponctions financières substantielles dans d autres domaines scientifiques. Pareil scénario ne manquerait pas de susciter aussitôt de vives réactions politiques au sein des communautés scientifiques concernées dans la société et parmi les Pour que le Domaine des EPF puisse remplir les tâches supplémentaires qui lui ont été confiées, il est indispensable que son plafond de dépenses soit sensiblement revu à la hausse. responsables politiques. Ces dernières années, le Domaine des EPF a déjà procédé à d importants transferts de priorités, notamment en faveur de l énergie. Si la Confédération ne débloque pas de fonds supplémentaires, le Conseil des EPF devra refuser les tâches additionnelles qu implique la stratégie énergétique du Conseil fédéral, qui pèsent si lourdement sur le budget. A elles seules, les mesures d accroissement de l efficacité, les réallocations et la définition de postériorités ne suffisent pas pour accroître sensiblement les prestations. Au vu des décisions du Conseil fédéral concernant la mise en œuvre de sa stratégie, il s agit désormais de compléter le Mandat de prestations alloué au Domaine des EPF et d augmenter l enveloppe budgétaire de celui-ci pour qu il puisse assumer les tâches supplémentaires qui lui incombent. Nécessité d une politique énergétique cohérente La recherche énergétique jette les bases de la mise en œuvre à grande échelle, nécessaire à la réalisation des objectifs fixés par le Conseil fédéral. L objectif du Domaine des EPF dans ce contexte est de viser une collaboration étroite avec les hautes écoles spécialisées et les universités. La recherche et développement (R+D) peut fournir une contribution substantielle, à condition que des mesures complémentaires soient prises en matière de politique énergétique. Les aspects liés à la mise en œuvre, de même que les parties prenantes, doivent être intégrés dans la R+D à un stade précoce. Il faut couvrir toute la chaîne de valorisation des innovations. Le besoin et l adéquation des solutions développées doivent faire leurs preuves sur le marché et convaincre tant les investisseurs que les utilisateurs. C est à l interface des technologies et de la politique que la recherche socio-économique doit œuvrer pour développer son action. Les travaux de recherche et de développement dans les disciplines les plus diverses débouchent sur de nouvelles contributions visant à résoudre le problème énergétique. Ils permettent de révéler les rapports de cause à effet, de développer de nouvelles approches pour trouver des solutions et d identifier les potentiels. Les possibilités ainsi créées doivent aussi être mises en œuvre et utilisées efficacement, La recherche et le développement peuvent apporter une contribution substantielle s ils s accompagnent de mesures complémentaires en matière de politique énergétique. puis appliquées à grande échelle, faute de quoi elles restent sans effet. Elles doivent être acceptées, adoptées et réalisées par un grand nombre d entreprises et de ménages. C est pourquoi les responsables politiques doivent eux aussi remplir les tâches très exigeantes qui leur incombent, à savoir créer des structures d incitation efficaces et ciblées pour la réalisation et, partant, influer sur le comportement des consommateurs d électricité, des entreprises et des ménages. Nos dirigeants Davantage de moyens et une politique cohérente