Article - Recherche énergétique

Axes prioritaires de la promotion de la recherche

Introduction

Energieforschung

© BMWi/Holger Vonderlind

La restructuration de l'approvisionnement énergétique prévu par le gouvernement fédéral d'ici 2050 sur la base d'une efficacité énergétique élevée et du recours majoritaire aux énergies renouvelables dépend d'innovations technologiques majeures dans presque tous les composants du système énergétique. Pour cette raison, la recherche dans le domaine de l'énergie constitue un élément stratégique de la politique énergétique et économique dans la mise en œuvre de la transition énergétique. La restructuration de la politique énergétique nécessite l'établissement de nouvelles prémisses orientées vers l'avenir concernant la politique en matière de promotion de la recherche énergétique du gouvernement fédéral, notamment pour ce qui est de la recherche appliquée.

C'est dans cette perspective que le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) concentre les mesures prises dans le domaine de la recherche non nucléaire et fait avancer le développement du 6e programme de recherche sur l'énergie sur la base d'une approche axée sur le système. Cette approche vise l'ensemble de la chaîne énergétique, de la fourniture d'énergie à l'emploi de celle-ci dans les différents secteurs en passant par sa transformation, l'acheminement, la distribution et le stockage.

Sont soutenus des projets de recherche et de développement concernant les énergies renouvelables et l'efficacité énergétique dans les domaines suivants :

Les centrales éoliennes modernes peuvent transformer l'énergie du vent en électricité. Le type d'installations le plus répandu est l'éolienne tripale à axe horizontale. La rotation du rotor déclenché par le vent est transmis à un générateur qui injecte de l'électricité dans le réseau électrique.

Fin 2016, des installations éoliennes terrestres d'une puissance totale de 49,5 gigawatt (GW) étaient opérationnelles en Allemagne. Dans les prochaines années, le recours à l'énergie éolienne offre de loin le plus grand potentiel de développement parmi l'ensemble des énergies renouvelables. Tandis que le développement de l'énergie éolienne terrestre (onshore) sera assuré notamment par le remplacement d'anciennes installations par des installations plus modernes et à un rendement plus élevé à des emplacements exposés à des vents forts (repowering), beaucoup de travail de base est toujours nécessaire pour ce qui est de l'énergie éolienne en mer (offshore). La mise en service de la première ferme éolienne offshore allemande, le parc éolien expérimental Alpha Ventus dont la mise en place a bénéficié du soutien du ministère fédéral de l'Environnement a été une étape importante. De multiples projets de recherche relatifs aux questions centrales du développement de l'énergie éolienne en mer y sont réalisés dans le cadre de l'initiative de recherche RAVE (Research at Alpha Ventus). Entretemps, le développement des raccordements offshore a bien avancé. Fin 2016, des installations éoliennes offshore d'une puissance totale de 4,1 GW étaient raccordées au réseau en Allemagne. L'objectif de porter l'énergie éolienne offshore à 6,5 GW d'ici 2020 est donc à portée de main.

Le soutien à la recherche du ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) dans le domaine de l'énergie éolienne vise à réduire les coûts, augmenter le rendement et fiabiliser le fonctionnement des installations éoliennes (cf. annonce de financement du 6e programme de recherche sur l'énergie (en allemand) (PDF, 1 MB). L'intégration de l'électricité produite dans les installations éoliennes dans les réseaux d'alimentation publics revêt une importance cruciale pour le développement de l'énergie éolienne. Des questions relatives au raccordement au réseau des parcs éoliens offshore, à la gestion de la charge et de la production, au stockage spécifique de l'énergie éolienne ainsi qu'à l'amélioration des prévisions de vent jouent un rôle important dans les activités de recherche. Il en est de même pour la recherche écologique afin que le développement de l'énergie éolienne respecte l'environnement et la nature.

L'industrie de l'énergie éolienne et les établissements de recherche allemands disposent d'une excellente infrastructure de recherche grâce au soutien de sites expérimentaux pour pales de rotors, nacelles et structures porteuses, aux plates-formes de recherche en mer et grâce au parc éolien expérimental Alpha Ventus.

L'énergie photovoltaїque désigne la transformation directe de l'énergie radiative du soleil en énergie électrique à l'aide de cellules photovoltaїques. Différentes technologies et matériaux sont appliqués, les cellules au silicium cristallin étant le type le plus répandu.

Les entreprises allemandes disposent toujours d'un grand savoir-faire en ce qui concerne la production de cellules photovoltaїques. Le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) soutient donc des projets de recherche qui visent à assurer que l'Allemagne reste dans le peloton de tête de la recherche en la matière. Mais la promotion des activités de recherche vise également à développer le recours à l'énergie solaire en Allemagne.

La promotion des activités de recherche et le soutien des gestionnaires des installations par le biais de la rémunération de l'électricité injectée en vertu de la loi sur les énergies renouvelables (EEG) ont contribué à une nette réduction des coûts de l'énergie photovoltaїque. Il convient d'améliorer le rendement et la durée de vie des systèmes photovoltaїques et de réduire davantage les coûts afin de faire avancer cette évolution et de rendre le développement de cette technologie rentable et efficace. La promotion des activités de recherche peut contribuer à

  • augmenter davantage le rendement et combler l'écart entre le rendement atteint en conditions de laboratoire et en réalité,
  • réduire davantage les coûts par le recours à des processus de production plus efficaces et de nouvelles étapes de processus,
  • réduire la consommation de matériaux par le recours à des mesures d'efficacité et l'emploi de nouveaux matériaux et de nouvelles combinaisons de matériaux et
  • prolonger la durée de vie des composants.

Sont notamment éligibles à la promotion les activités de recherche appliquée et préconcurrentielle qui doivent être accessibles à un grand nombre d'entreprises allemandes (cf. annonce de financement du 6e programme de recherche sur l'énergie (en allemand) (PDF, 1 MB)). La recherche doit se concentrer notamment sur les domaines de la technologie des wafers de silicium, des piles solaires en couche minces, des concepts de cellules photovoltaїques alternatifs, des nouvelles approches de recherche et des questions transversales.

Le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) encourage le recours à la géothermie comme chaleur utile ou pour la production d'électricité. Pour ce qu'on appelle géothermie profonde, l'énergie géothermique est captée par forage dans des gisements dans une profondeur à partir de 400 mètres. Pour la géothermie hydrothermique, on a recours à l'eau chaude ou très chaude des sous-sols, pour la géothermie pétrothermique on utilise l'énergie stockée dans la roche.

Contrairement au caractère intermittent des énergies éolienne et solaire, la géothermie est disponible de manière constante. Elle peut donc jouer un rôle important dans le mix énergétique de l'avenir. Le recours à la géothermie offre un potentiel significatif qui suffirait théoriquement de loin à couvrir les besoins énergétiques en Allemagne. À l'heure actuelle cependant, la production électrique basée sur la géothermie profonde coûte toujours plus cher que d'autres sources énergétiques renouvelables. C'est la raison pour laquelle, le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) soutient des projets de recherche visant à rendre l'utilisation de la géothermie plus fiable et plus rentable (cf. annonce de financement du 6e programme de recherche sur l'énergie (en allemand) (PDF, 1 MB)).

Le développement des méthodes de prospection permettant de choisir les sites appropriés est une des priorités de la promotion de la recherche offerte par le BMWi. Étant donné les coûts élevés des forages, il faut minimiser le risque d'exploiter des réservoirs d'eau inadaptés ou des roches insuffisamment chaudes. Cette minimisation des risques augmenterait aussi l'attractivité de la technologie pour des investisseurs potentiels.

Une deuxième priorité consiste à augmenter l'acceptation de la géothermie. Pour préparer le terrain du lancement d'autres projets de géothermie, il convient d'améliorer l'information des citoyens sur les technologies utilisées et sur les avantages de cette source énergétique. Mais avant tout, il s'agit de réduire davantage les coûts des projets afin de rentabiliser la technologie à l'avenir. Le développement technologique dans toutes les phases de projet doit y contribuer : de la phase de planification et d'exploration à la phase de test et d'exploitation en passant par la phase de forage, de mise en place et de construction.

Dans les centrales héliothermiques, le rayonnement solaire est exploité dans un processus de centrale conventionnel pour en produire de l'électricité. Des miroirs concentrent les rayons du soleil sur un récepteur afin d'en chauffer un fluide caloporteur. Actuellement, des huiles thermiques sont majoritairement utilisées à cette fin. Une turbine transforme cette énergie en électricité. Dans les zones chaudes et arides à fort rayonnement solaire direct, les centrales héliothermiques sont une option efficace pour la transformation d'énergie solaire en électricité.

Entretemps, un grand nombre de ces centrales sont construites et exploitées de manière systématique. Il convient cependant de pérenniser la recherche et le développement afin de rendre la construction et l'exploitation des centrales plus rentables et de réduire nettement le coût actualisé de l'énergie. Actuellement, le prix de l'électricité issue d'une centrale héliothermique est trois à quatre fois plus élevé que celui de l'électricité produite dans des centrales fossiles. Selon une étude réalisée par l'EASAC en novembre 2011, le coût actualisé de l'énergie pourrait diminuer de 50 à 60 % dans les prochains 10 à 15 ans, si la commercialisation de ce type de centrales progresse (économies d'échelle) et si la recherche et le développement sont poursuivis.

À défaut d'un rayonnement solaire direct suffisant, le climat en Allemagne n'est pas approprié pour l'exploitation commerciale de centrales héliothermiques. Néanmoins, les entreprises et établissements de recherche allemands sont les leaders mondiaux en ce qui concerne cette technologie qui offre un grand potentiel d'exportation. Une grande part des composants clés développés en Allemagne sont utilisées dans des centrales héliothermiques partout dans le monde.

La promotion de la recherche et du développement dans le domaine des centrales héliothermiques doit contribuer à réduire les coûts, augmenter l'efficacité et fiabiliser l'exploitation afin de rendre la technologie plus compétitive et de conforter sa situation sur le marché (cf. annonce de financement du 6e programme de recherche sur l'énergie (en allemand) (PDF, 1 MB)). Dans ce contexte, l'accent sera mis sur le fait que la technologie permet de produire de l'électricité en fonction de la demande.

Pour produire de l'électricité à partir de l'énergie hydraulique, on utilise le mouvement naturel de l'eau, notamment dans les fleuves ou les barrages. Pour ce qui est des océans, on peut produire de l'électricité ou sur la base de l'amplitude de la marée (à savoir la hausse et la baisse périodique du niveau de la mer) ou en exploitant l'énergie des courants et des ondes.

Les énergies hydraulique et marine peuvent être fournies de manière relativement constante et prévisible, ce qui constitue un avantage par rapport aux énergies éolienne et photovoltaïque. L’énergie hydraulique est une source d'énergie qui a fait ses preuves et qui est exploitée en Allemagne à presque tous les endroits qui s'y prêtent. Par contre, l'énergie marine se trouve encore en phase de démonstration à l'échelle mondiale et ne se prête pas à l’exploitation en Allemagne.

Dans le cadre de la promotion de la recherche, le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) encourage des projets de recherche relatifs à la production d'électricité à partir de l'énergie hydraulique et de l'énergie marine si les technologies correspondantes répondent aux exigences écologiques (cf. annonce de financement du 6e programme de recherche sur l'énergie (en allemand) (PDF, 1 MB)).

Situation initiale

Les sources énergétiques fossiles telles que le charbon, le pétrole et le gaz sont les piliers de l'approvisionnement électrique et énergétique en Allemagne et dans le monde entier. Pour définir leur rôle futur dans la production d'électricité, il faut distinguer entre les objectifs que s'est fixés l'Allemagne et les prévisions concernant l'évolution mondiale.

Selon les prévisions de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), la production électrique sur la base du charbon, du pétrole et du gaz augmentera de 86 % au maximum d'ici 2035 pour atteindre ensuite, en fonction du scénario étudié, une part variant entre 54 % et 67 %.

En Allemagne, la situation est différente. La part des sources énergétiques fossiles dans la production d'électricité totale s'élève à 57 % (situation en 2013). L'Allemagne s'est fixé comme objectif de réduire la consommation d'électricité de 25 % en chiffres absolus d'ici 2050 par rapport à 2008 et de ne couvrir que 20 % au maximum de la consommation d'électricité brute par des sources énergétiques fossiles. Pour atteindre cet objectif, des efforts considérables sont nécessaires en matière d'économies d'énergie.

Développement technologique et structure de la promotion

La promotion du volet « technique des centrales et technologies CCS » peut s'appuyer sur des structures de soutien et des stratégies mises en place par le gouvernement fédéral. Dans le cadre de l'initiative de recherche et de développement COORETEC (technologies de réduction du CO2) du ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie, une stratégie de développement à long terme a été élaborée en coopération avec des acteurs économiques et scientifiques qui doit aider à préparer les centrales à l'avenir.

Les différents groupes de travail se consacrent aux objectifs de recherche suivants :

  • optimiser l'intégration des processus des centrales dans le système,
  • augmenter la flexibilité des processus des centrales,
  • accroître l'efficacité,
  • réduire les émissions,
  • exploiter de nouvelles options technologiques.

Outre les quatre groupes de travail COORETEC qui se concentrent sur le développement et l'optimisation des processus correspondants, le groupe de travail « turbo » doit se consacrer au développement de composants dans le domaine des turbomachines. Il réunit des acteurs d'entreprises fabricant des turbomachines, d'universités et d'établissements de recherche et doit poursuivre les travaux prometteurs des dernières années.

Priorités de recherche stratégiques

Les mesures de promotion consacrées au volet « technique des centrales et technologies CCS » sont basées sur les recommandations d'experts et du comité consultatif COORETEC. Voici les priorités :

  • centrales thermiques à vapeur : recherche des matériaux et développement de techniques d'assemblage et de production pour des températures de vapeur de 700 °C et des pressions jusqu'à 350 bar ; qualification de nouveaux matériaux dans des essais de longue durée dépassant les 30 000 heures ; amélioration de la compréhension de la microstructure et de la stabilité à long terme ; modèles pour l'optimisation de la durée de vie et des stratégies de maintenance ; nouvelles méthodes d'essai pour composants à paroi épaisse ; systèmes de combustion flexibles
  • centrales à turbines à gaz et centrales à turbines gaz-vapeur : systèmes de refroidissement efficaces et nouveaux matériaux isolants (p. ex. matériaux nanostructurés) pour atteindre des températures d'entrée turbine de plus de 1 500 oC ; développement et validation de modèles de simulation pour optimiser l'interaction entre la technologie de refroidissement et le développement de matériaux ; optimisation aérothermodynamique de compresseurs et de turbines avec procédures numériques ultramodernes et validation expérimentale de celles-ci ; élargissement de la gamme de combustibles (notamment pour les gaz riches en hydrogène et leur combinaison avec des accumulateurs chimiques)
  • captage de CO2 : recherche technologiquement neutre sur les différentes technologies CCS ; « post-combustion » et « oxyfuel » comme les technologies actuellement les plus prometteuses à l'échelle pilote et de démonstration ; prise en considération de « carbonate looping », « chemical looping » et procédés basés sur des membranes ainsi que d'aspects environnementaux et de sécurité des différentes technologies de captage
  • transport et stockage de CO2 : stockage dans différentes formations géologiques ; systèmes d'information pour les réservoirs de CO2 et la roche couverture, concept de sécurité, y compris sécurité à longue durée, surveillance à large échelle/procédures de suivi ; analyse des risques ; simulation de la dispersion de CO2 dans le sous sol ; analyse du comportement en longue durée du CO2 dans le sous sol ; effets des substances libérées dans le flux de CO2 par le captage sur les gazoducs et réservoirs (p. ex. corrosion, formation de carbonate)
  • études sur le réglage et sur la gestion de la charge dans les centrales : simulations dynamiques d'un système d'approvisionnement énergétique à forte proportion d'énergies renouvelables ; impact sur la flexibilité de la charge des centrales et leurs composants ; prise en considération de la fatigue des matériaux et analyses concernant la durée de vie

Situation initiale

Dans la perspective d'un système d'approvisionnement énergétique qui tienne compte de l'objectif de réduire la consommation d'énergie primaire tel qu'il est fixé dans le concept énergétique, il convient de combiner la production d'électricité et l'utilisation de la chaleur produite en même temps, dans la plupart des cas, en misant sur des procédés de cogénération. L'utilisation de piles à combustibles dans ce contexte s'impose notamment en raison de son rendement électrique très élevé par rapport à d'autres technologies voire son indice de cogénération très élevé. Depuis de nombreuses années, la pile à combustible est développée en Allemagne tant pour la production d'électricité décentralisée que pour l'emploi dans les groupes de propulsion dans les véhicules. La pile à combustible est caractérisée par un rendement plus élevé par rapport à d'autres processus thermiques. Son rendement reste élevé également en conditions de charge partielle et dans des unités de petite taille, ce qui représente un avantage particulier.

Les piles à combustible stationnaires sont généralement utilisées pour la cogénération et sont désormais testées en tant qu’installations énergétiques pour les maisons, avec une puissance d’environ 1 kW et dans des applications industrielles de plusieurs centaines de kW de puissance. Un large éventail d’énergies primaires est utilisé comme combustible (gaz naturel, biogaz, gaz d’épuration, etc.). En mode inversé, la pile constitue la pièce centrale de l’électrolyseur, qui fonctionne à partir du courant électrique et produit de l’hydrogène. Si le courant provient de sources renouvelables, l’hydrogène produit est considéré comme « vert » et son utilisation tout au long de la chaîne énergétique comme exempte d’émissions de CO2. Dans l’application mobile du véhicule, la propulsion électrique est alimentée par le courant généré par une pile à combustible, qui fonctionne avec de l’hydrogène comme énergie secondaire. La propulsion à pile à combustible permet de réduire la dépendance élevée de la mobilité vis-à-vis du pétrole puisque l’hydrogène peut être obtenu à partir d’un grand nombre de sources d’énergie primaire.

L’hydrogène en tant que vecteur énergétique peut revêtir une importance particulière dans le contexte du couplage sectoriel. Il peut en effet être utilisé dans la production centralisée et décentralisée d’électricité, dans les véhicules, pour la fabrication de carburants, de combustibles et de gaz alternatifs, pour le stockage à long terme et en tant que matière première pour des processus industriels (notamment chimiques). Dans la mesure où l’hydrogène est produit à partir de sources renouvelables (p. ex. à partir d’électricité renouvelable dans des installations d’électrolyse), son utilisation ne génère pas ou génère peu d’émissions de gaz à effet de serre. Compte tenu du fort potentiel d’exportation des technologies liées à la production d’hydrogène, le gouvernement fédéral entend renforcer le site de production allemand et développer le plus possible son leadership technologique. La recherche et le soutien à l’innovation doivent permettre de réduire nettement les coûts encore élevés de l’hydrogène renouvelable.

Les instituts de recherche et les entreprises allemandes actives dans le secteur des technologies de l'hydrogène et des piles à combustibles occupent désormais une position de leader grâce aux mesures soutenues par le passé. Les activités de recherche et de développement doivent être poursuivies à l'avenir afin de garder et développer cette position.

Développement technologique et structure de la promotion

Le soutien apporté par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) à la recherche et au développement en matière de technologie de l'hydrogène et de pile à combustible fait partie intégrante du « programme d'innovation national consacré aux technologies de l'hydrogène et de pile à combustible » (« Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien » (NIP)) lancé en 2006. Ce programme sera poursuivi entre 2016 et 2025 sous le titre NIP2. Le programme NIP2 se base sur la maturité de la technologie et la disponibilité sur le marché des équipements de première génération. Pour la commercialisation généralisée imminente, les activités nationales réalisées par les scientifiques, l'industrie et le pouvoir public doivent être chapeautées par un seul programme commun. L'objectif est le suivant : développer les innovations en matière d'hydrogène et de pile à combustible qui ne sont pas encore mises sur le marché, mettre en place les infrastructures nécessaires et promouvoir la mise sur le marché des technologies mûres par des instruments et des mesures adéquats.

Le BMWi soutient ces objectifs notamment dans le cadre du programme de recherche sur l'énergie en promouvant la recherche et le développement en tant que base des applications futures dans les domaines des transports, de la production d'hydrogène, de l'approvisionnement en énergie dans les bâtiments résidentiels, des applications industrielles et des marchés spéciaux pour les piles à combustibles et des tâches transversales. Le couplage sectoriel et les technologies de l’hydrogène sont aussi un sujet important des « laboratoires vivants de la transition énergétique », un nouveau pilier de financement du programme de recherche énergétique du gouvernement fédéral, qui accompagne l’introduction sur le marché de technologies énergétiques innovantes et relève les défis liés à la transformation de l’approvisionnement énergétique. Les « laboratoires vivants de la transition énergétique » sont un format réunissant les politiques industrielles, climatiques, énergétiques et de l’innovation, là où les défis de la transition énergétique touchent aux questions climatiques urgentes, comme la décarbonisation sur le marché de la chaleur, dans les transports et dans les processus industriels.

Pour plus d'informations

  • 30.06.2017 - Communiqués de presse - Transition énergétique

    Le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) mise sur l'innovation dans le secteur de la chaleur : élargissement des aides pour les piles à combustible et en particulier pour les réseaux de chaleur de quatrième génération

    Ouvre vue détaillée

Situation énergétique initiale

Les transformations futures dans les structures de production d'électricité augmentent le besoin en capacités de stockage à moyen et à long terme. La technologie d'accumulation par pompage est désormais disponible et rentable. D'autres technologies tels que les accumulateurs pneumatiques à forte efficacité ne sont qu'au début de leur développement.

Actuellement, les accumulateurs électrochimiques à base de lithium sont considérés comme porteurs d'avenir pour l'utilisation dans des véhicules hybrides ou électriques. Le gouvernement fédéral mise sur un parc de véhicules électriques d'un million de véhicules d'ici 2020 conformément aux objectifs fixés sur la « plateforme nationale mobilité électrique ». Dans ce contexte, le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie a créé l'axe prioritaire de la promotion de la recherche « Éléments clés de l'électromobilité ». À long terme, les accumulateurs électrochimiques devraient également jouer un rôle dans le réglage des réseaux électriques. À l'heure actuelle, les accumulateurs électrochimiques disponibles ne disposent pas encore des spécificités techniques et économiques nécessaires aux deux cas de figure d'emploi.

Les accumulateurs thermiques sont utilisés dans les domaines de la conversion de l'énergie, de l'approvisionnement énergétique et dans tous les secteurs de la consommation finale. Ils constituent un élément clé pour l'augmentation de l'efficacité énergétique et apportent une contribution essentielle à l'optimisation des systèmes d'approvisionnement énergétique (systèmes de cogénération).

Étant donné la raréfaction attendue et donc l'enchérissement des énergies primaires, les accumulateurs physiques tels que l'hydrogène deviennent de plus en plus intéressants en tant qu'alternatives aux combustibles et carburants classiques.

Développement technologique et structure de la promotion

Jusqu'il y a quelques années, la promotion de la recherche en matière d'accumulateurs ne comptait pas parmi les priorités du programme sur la recherche énergétique parce que les accumulateurs ne revêtaient que peu d'importance dans le contexte du réglage des réseaux électriques et que des percées essentielles en matière d'accumulateurs électrochimiques étaient plutôt rares.

Au cours des dernières années cependant, la donne a considérablement changé. À l'avenir, le rôle joué par les accumulateurs dans les réseaux électriques va augmenter énormément et les nouvelles technologies lithium-ion sont très prometteuses en ce qui concerne l'utilisation dans la mobilité électrique grâce à leur rendement et leur puissance très élevés. Le BMWi souhaite établir l'Allemagne comme un site leader de la production de cellules de batteries dans le cadre de l'alliance européenne énergétique. Afin de soutenir les entreprises participantes, il débloque un milliard d'euros d'ici 2022 provenant du fonds « climat-énergie ».

Les accumulateurs offrent un large éventail de technologies et d'applications et les différents développements technologiques sont très hétérogènes. C'est la raison pour laquelle une grande partie des activités liées au développement d'accumulateurs stationnaires est réalisée dans le cadre de « l'initiative de recherche accumulateurs d'énergie »(en allemand) initiée conjointement par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) et le ministère fédéral de la Formation et de la Recherche (BMBF).

Priorités de recherche stratégiques

Les domaines suivants font l'objet de l'initiative de promotion interministérielle consacrée aux accumulateurs stationnaires :

  • accumulateurs électriques (batteries, accumulateurs pneumatiques, accumulateurs virtuels, condensateurs, stockage d'énergie par volant d'inertie, accumulation par pompage),
  • accumulateurs physiques (transformation de quantités variables d'électricité en hydrogène et méthane, stockage géologique, reconversion en électricité d'accumulateurs physiques),
  • accumulateurs thermiques (matériaux et principes de construction, concepts pour centrales héliothermiques et pour l'approvisionnement dans des bâtiments, intégration dans les réseaux de chaleur),
  • sujets généraux (gestion d'accumulateurs distribués, procédures de production, analyses des systèmes et acceptation des accumulateurs).

Les activités du BMWi sont notamment axées sur les applications mobiles qui n'entrent pas dans l'initiative de promotion conjointe citée ci-dessus :

  • accumulateurs électriques avec accent sur le développement de la technologie lithium,
  • accumulateurs physiques, notamment dans le contexte du recours à l'hydrogène,
  • accumulateurs thermiques dans le contexte de l'efficacité, de la disponibilité et des coûts lors de leur usage dans des centrales, des processus industriels et dans les bâtiments.

Exemples

Vous trouverez la présentation de projets exemplaires sur le site Internet de l'initiative de recherche accumulateurs d'énergie.

Situation initiale

Les technologies destinées au transport et à la distribution de l'énergie électrique sont caractérisées par des coûts d'investissement et des périodes d'amortissement très élevés. Dans les prochaines décennies, la structure de l'approvisionnement énergétique va fortement changer. Dans le contexte du développement des énergies renouvelables, notamment dans le domaine de l'éolien off-shore, la production d'électricité sera séparée géographiquement des consommateurs de l'énergie.

Parallèlement, la décentralisation de la production électrique ira croissant grâce au recours accru aux installations photovoltaïques et aux installations de cogénération. Par ailleurs, grâce à sa position géographique en Europe, le transit d'énergie électrique à travers le territoire allemand va progresser considérablement au cours des prochaines années.
Il convient donc de développer rapidement de nouvelles technologies et solutions et de les mettre en pratique afin d'assurer le transport et la distribution sûre, fiable et rentable de l'énergie électrique.

Par ailleurs, il faut adapter le système d'approvisionnement énergétique aux quantités grandissantes d'énergies renouvelables intermittentes afin de garantir à l'avenir la sécurité d'approvisionnement énergétique. Ce besoin élargit donc l'éventail des nouveaux acquis technologiques nécessaires dans le domaine des réseaux électriques.
Une gestion intelligente des charges permet de résoudre en grande partie le problème de l'intégration des sources d'énergie fluctuantes. Cela implique une consommation ciblée de l’électricité lorsque celle-ci est disponible en grande quantité, par exemple, en période de grands vents.

Les réseaux de distribution jusqu'à présent passifs doivent être développés en conséquence et devenir des réseaux flexibles et actifs adaptés à de fortes parts d'énergies renouvelables. Les services de système visant à garantir la qualité du réseau doivent également être réalisés de manière décentralisée en ayant recours aux énergies renouvelables. Une révision profonde est nécessaire.

En plus de développer et de modifier les réseaux énergétiques, les capacités de stockage jouent un rôle important pour compenser les variations à court et long terme des besoins et de l'approvisionnement en énergie.

Développement technologique et structure de la promotion

Jusqu'il y a quelques années seulement, les activités de recherche et de développement en matière de technologies de transmission et d'acheminement d'énergie électrique entreprises depuis 1980 n'ont presque pas bénéficié d'aides publiques. Les risques économiques et technologiques étaient limités par rapport à ceux liés aux technologies de production électrique et à cette époque, le soutien de ces activités n'était donc plus intéressant pour l'État. Dans le contexte de la libéralisation du marché de l'énergie, de la séparation presque totale entre la production électrique et la transmission voire l'acheminement de l'électricité et de l'augmentation des énergies fluctuantes injectées dans les réseaux, les risques liés à l'emploi de nouvelles technologies et solutions ont fait l'objet d'une réévaluation. Le gouvernement fédéral crée donc un contexte propice en promouvant la recherche, le développement et les démonstrations et minimise ainsi les risques de développement et accélère les innovations.

En 2007 déjà, le programme de soutien « e-energy » a été lancé. En coopération avec le ministère fédéral de l'Environnement, de la Protection de la Nature, de la Construction et de la Sûreté nucléaire (BMUB) et l'économie allemande, le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWi) a défini six régions pilotes dans lesquelles des technologies clés et des modèles commerciaux liés à la mise en place de réseaux électriques intelligents (smart grids) ont été étudiés, développés et testés entre 2008 et 2013. Le rapport final sur le programme e-energy (en allemand) montre que de nouveaux marchés et modèles commerciaux peuvent être créés grâce au recours intensifié aux TIC dans l'industrie énergétique. Parmi ces nouvelles possibilités, on peut citer par exemple la commercialisation directe de l'énergie produite dans un grand nombre de petites installations ou la commercialisation de flexibilité dans la consommation énergétique.

Le concept de soutien « Réseaux pour l’approvisionnement énergétique de demain » du BMWi, publié en 2010 et poursuivi dans le cadre du 6e Programme de recherche sur l'énergie était axé sur le système dans son ensemble, à savoir de l'injection de l'électricité dans les réseaux à la consommation de l'énergie électrique en passant par la transmission et la distribution. L'interaction avec les autres axes prioritaires du Programme de recherche sur l'énergie joue un rôle crucial dans ce contexte.

En janvier 2013, le BMWi a lancé, conjointement avec le ministère fédéral de l'Environnement (BMUB) et le ministère fédéral de la Formation et de la Recherche (BMBF), l'initiative de soutien consacrée aux « réseaux électriques de demain » dans le cadre du Programme de recherche sur l’énergie. Sur les 306 projets choisis dans le cadre de l'initiative, 242 projets ont été soutenus par le BMWi à hauteur de plus de 100 millions d'euros. Ce soutien a notamment été consacré à d'autres aspects de la recherche fondamentale, à la formation initiale et continue de jeunes scientifiques et ingénieurs et aux équipements spécifiques d'installations photovoltaïques et éoliennes dans la perspective de leur raccordement au réseau.

Depuis janvier 2015, des informations exhaustives et actuelles sur l'état d'avancement des projets de recherche sont disponibles sur le portail Internet conjoint du ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie et du ministère fédéral de la Formation et de la Recherche forschung-stromnetze.info (en allemand).

Le réseau de recherche consacré aux réseaux électriques a été créé en mai 2015 et a été restructuré en 2017 afin de mieux gérer la coopération et les échanges entre les acteurs de la recherche. Les réseaux de recherche ont pour objectif, entre autres, d'augmenter la transparence des activités de recherche et l'amélioration de l'assurance qualité.

Priorités de recherche stratégiques

L'axe prioritaire « réseaux pour l'approvisionnement énergétique de demain » concerne une large gamme de sujets. Les domaines suivants jouent un rôle important en matière de recherche et de développement :

  • composants et équipements pour les réseaux de transport et de distribution,
  • gestion de l'exploitation des réseaux, modélisation, conception et surveillance,
  • projets de démonstration,
  • planification des réseaux, comportement des systèmes et sécurité des systèmes.

En outre, le BMWi promeut des projets de recherche qui visent à optimiser le système d'approvisionnement énergétique fonctionnant majoritairement sur la base d'énergies renouvelables.

Au printemps 2015, le BMWi a par ailleurs publié un appel de candidature pour un soutien concernant « l'électronique de puissance » pour répondre au manque d'activités de recherche dans ce domaine. Cette offre a eu un écho très positif et 16 projets ont été retenus pour un soutien à la recherche.

D'autres sujets

La plateforme « Réseaux énergétiques » (en allemand) du ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie offre la possibilité aux acteurs concernés d'échanger sur la recherche et les innovations dans le domaine des réseaux. Des acteurs économiques et scientifiques renommés informent sur leurs activités et discutent de nouvelles options technologiques. Ce dialogue donne de nouvelles impulsions au développement de la politique de recherche énergétique. Par ailleurs, il est question de conditions permettant d'accélérer les processus d'innovation et la transformation de nouvelles technologies en produits commercialisables dans les meilleurs délais.

Dans le contexte de la transition énergétique, les bâtiments et quartiers jouent un rôle clé, puisqu’ils offrent un potentiel d’économies d’énergie énorme et de couverture efficace des besoins restants par les énergies renouvelables : En effet, en Allemagne, environ un tiers de la consommation énergétique et des émissions de CO2 concerne les bâtiments résidentiels et non-résidentiels. Par le biais de la stratégie d’efficacité énergétique pour bâtiments le gouvernement fédéral entend, à l’horizon 2050, parvenir à un parc immobilier quasiment neutre sur le plan climatique et utiliser environ 80 pour cent de moins d’énergie que dans l’année 2008.

La recherche et le développement y apportent une contribution essentielle : ils permettent d’exploiter le potentiel d’efficacité des bâtiments et des quartiers, de développer des innovations techniques et d’étudier et de tester des technologies dans le cadre de projets de démonstration faisant l’objet d’un suivi scientifique. Outre certaines technologies individuelles, la recherche et le développement se concentrent sur l’interaction intelligente et efficace de ces innovations au sein du système ainsi que sur un transfert accéléré des résultats de recherche dans la pratique.

Situation initiale

Environ 44 pourcent de l'énergie finale consommée en Allemagne est consommée dans les secteurs de l'industrie, de l'artisanat, du commerce et des services. Les deux tiers environ de cette énergie finale sont demandés sous forme de chaleur. L'énergie mécanique, nécessaire par exemple au fonctionnement de moteurs ou de machines, représente environ un quart de la consommation et le chauffage domestique n'en représente qu'une part infime. Le gaz constitue la source énergétique la plus importante, sa part s'élevant à 27 pourcent, l'électricité (21 pourcent) et l'huile minérale (20 pourcent) occupent le deuxième et troisième rang. Avec une part d'environ 3 pourcent seulement, les énergies renouvelables ne jouent qu'un rôle secondaire.

Afin de réduire durablement la consommation d'énergie primaire en Allemagne, il convient d'identifier et de mesurer des potentiels inexploités dans l'industrie, dans le commerce et dans l'artisanat et de développer des technologies à forte efficacité énergétique. Pour l'industrie, l'efficacité énergétique et le recours intensifié aux énergies renouvelables jouent un rôle clé dans le contexte de la transition énergétique.

Priorités de recherche stratégiques

Dans un grand nombre de domaines, les développements visant l'optimisation énergétique de machines et de processus ont presque atteint leurs limites. C'est la raison pour laquelle le soutien à la recherche accorde désormais une priorité aux chaînes de production dans leur ensemble et à l'interdépendance énergétique de la matière première jusqu'au produit finalisé. Quatre priorités de recherche ont été définies :

  • réduction de l'énergie dans les branches à forte intensité énergétique grâce aux activités de développement et au recours à de nouveaux procédés et matériaux,
  • optimisation de processus existants grâce à l'adaptation de paramètres de processus, à la substitution de matière consommables, à l'emploi de composantes nouvelles ou améliorées et à la réorganisation,
  • utilisation efficace de l'énergie par les consommateurs et lors de la production décentralisée,
  • questions transversales concernant l'utilisation efficace de l'électricité et la récupération de rejets thermiques ainsi que la gestion de l'énergie tous processus confondus.

Les instruments de soutien disponibles sont détaillés dans le concept de soutien actuel. Outre le soutien à des projets de recherche individuels, associatifs et thématiques, il existe l'instrument appelé « champs de recherche ». Un champs de recherche rassemble les activités de soutien pendant plusieurs années et sert à procéder de manière cohérente et efficace dans certaines technologies clés stratégiques. Voici les sept champs de recherche qui font partie du « réseau de recherche Industrie, commerce et artisanat » du BMWi (en allemand) :

  • supraconductivité à haute température
  • tribologie
  • technique de production
  • récupération de chaleur
  • moteurs à gaz et industriels
  • fer et acier

Pour plus d'informations

Les piles sont l'élément clé de la réussite du groupe motopropulseur électrifié. Pour permettre une utilisation à large échelle mobile, elles doivent devenir plus performantes, plus durables, plus sûres et plus rentables. Les piles stationnaires peuvent contribuer à l'intégration des énergies renouvelables dans le système global.

Les caractéristiques récupérables d'un système de piles sont le résultat de l'articulation entre les cellules de batterie et le système de gestion des piles. Une grande part de la création de valeur réside dans la structure des cellules de batterie. Dans un premier temps, le soutien à la recherche vise à créer les bases scientifiques pour des cellules de batterie made in Germany en améliorant les matériaux utilisés, les composantes et les méthodes de production. Dans un deuxième temps, l'optimisation de l'électronique de puissance dans le système de gestion des batteries doit contribuer à intégrer les batteries utilisées de manière optimale dans l'application et les adapter aux exigences en matière de besoin énergétique, durée de la charge ou vieillissement sans porter atteinte à leur sécurité.

Dans le contexte du développement permanent de la politique de recherche en matière d'énergie et du changement des conditions générales, un vaste savoir-faire généralisé et détaillé est indispensable. Sont soutenus les projets de recherche qui se concentrent de manière méthodologique sur des développements potentiels du système d'énergie et qui analysent leurs effets.

Dans le cadre de l'axe prioritaire « En:SYS - analyse des systèmes pour la recherche dans le domaine de l'énergie », des travaux méthodiques et analytiques sont soutenus qui sont destinés à l'architecture future du système énergétique. Des modèles quantitatifs simulant des développements potentiels du système de l'énergie et évaluant de manière macroéconomique les techniques utilisées jouent un rôle important dans ce contexte.

La gamme des sujets soutenus comprend des travaux de recherche d'ingénierie, économiques, sociologiques, mathématiques et informatiques.

Le réseau de recherche « analyse des systèmes » (en allemand) créé en 2015 sert à inciter des coopérations et échanges des acteurs de la recherche. Il doit par ailleurs contribuer à rendre les activités de recherche plus transparentes, à promouvoir le transfert des résultats de recherche dans la pratique et à améliorer l'assurance qualité.

Priorités de recherche stratégiques

  • Analyses techniques et thématiques (concernant, entre autres, les accumulateurs, les réseaux, la mobilité électrique, l'évaluation technique, l'acceptation des techniques, l'analyse des obstacles)
  • Développement méthodique et refonte de modèles énergétiques (entre autres : procédés mathématiques et informatiques, couplage des secteurs énergétiques, insécurités)
  • Base des données et cohérence des modèles (entre autres : assurance qualité, évaluation de sources de données, données de référence, validation des modèles)

Initiative de soutien « La transition énergétique dans les transports : couplage sectoriel à travers l'utilisation de carburants à base d'électricité »

Le 27 février 2017, le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie a lancé l'initiative de soutien « La transition énergétique dans les transports : couplage sectoriel à travers l'utilisation de carburants à base d'électricité. » Elle vise à rapprocher les technologies et les innovations en matière de l'industrie énergétique, du secteur des transports et de l'industrie maritime.

L'initiative met l'accent sur des projets de recherche concernant la production et l'utilisation de carburants alternatifs à base d'électricité et sur l'intégration des nouvelles technologies dans l'industrie énergétique. Les carburants à base d'électricité peuvent être utilisés dans les voitures particulières, les poids lourds, les navires, les engins de chantier ou les moteurs industriels. C'est sur cette base que le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie subventionne par ailleurs des activités de recherche et de développement pour des systèmes maritimes avec des carburants synthétiques et pour des micro-réseaux intelligents dans des zones portuaires.

À cette fin, pour les trois ans à venir, le BMWi alloue environ 130 millions d'euros en provenance des programmes suivants :

Le soutien prévu est axé sur une approche appliquée. De nouvelles solutions doivent être développées et testées dans le cadre d'une coopération préconcurrentielle entre l'industrie (groupements, petites et moyennes entreprises) et des établissements de recherche.