20/04/2018

Zoom innovation énergies renouvelables

Zoom sur les innovations dans le domaine des renouvelables.

Avec la montée en puissance des énergies renouvelables, c’est toute la chaîne de conception, de production et d’exploitation de l’énergie qui se réinvente. Pour répondre aux défis posés, nombre de solutions sont élaborées et testées. Du rendement des panneaux photovoltaïques aux promesses de l’éolien en mer en passant par les technologies de stockage, les ingénieurs du globe ne cessent d’innover. Petit tour d’horizon.

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Dans la transition énergétique en cours, les énergies renouvelables sont identifiées comme l’un des principaux leviers de transformation. Ainsi, en février dernier, les renouvelables (hors hydraulique) ont pour la première fois de l’histoire dépassé le charbon dans le mix électrique européen. Et devraient compter pour 50% de ce mix en 2030.
Désormais, les éoliennes et les champs ou toitures parés de panneaux photovoltaïques sont choses courantes dans le paysage. Mais leur déploiement cache un concentré de technologies comme une course à l’innovation pour améliorer leurs rendements, leur maintenance ou leur intégration aux réseaux, tout en s’assurant de leur viabilité économique, écologique et sociale.
« L’innovation est essentielle pour accompagner la transformation du secteur et relever les défis de demain, affirme EDF Énergies Nouvelles, la branche renouvelable du groupe français. L’entreprise travaille notamment avec la R&D d’EDF qui conduit des expertises techniques et des phases de tests sur les projets pour répondre aux enjeux de l’intégration des énergies renouvelables et de l’intermittence de leur production. Et elle travaille déjà sur de nouveaux modèles d’affaires (production décentralisée, stockage d’énergie, contrat de vente d’électricité avec de grandes entreprises …) ».

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Capter toujours plus d’énergie solaire

Dans ce contexte d’intenses besoins en ingénierie, les technologies de production d’énergie issue du soleil restent un terrain d’innovation particulièrement choyé. La raison est simple : la Terre reçoit plus d’énergie en une journée grâce au soleil qu’elle n’en consomme en un an. Le potentiel est donc immense, il ne reste plus qu’à l’exploiter !

Les modules de silicium cristallin ou à couche mince à base de tellurure de cadmium (CdTe) ont déjà vu leurs rendements s’accroître en dix ans pour se fixer autour de 20%, et permis la croissance et l’industrialisation à grande échelle des panneaux photovoltaïques.
Mais la recherche et l’innovation à l’œuvre promettent encore une meilleure exploitation. L’un des plus grands espoirs est aujourd’hui placé dans l’utilisation de cellules à base de pérovskites, un matériau très polyvalent et peu cher. En laboratoire, ces cellules ont déjà atteint des rendements de 22% en moins de 5 ans de tests. Une petite prouesse qui fait dire au physicien Michael Saliba, nommé par le MIT au rang des 35 innovateurs de moins de 35 ans en 2017, qu’elles sont « l’avenir » du photovoltaïque.
Toutefois, en attendant la stabilisation des processus chimiques à l’œuvre et l’industrialisation d’une telle technologie, nombre d’avancées sont à venir en matière de surface exploitable pour capter le rayonnement et la chaleur solaires.
Les ingénieurs du groupe nantais Armor, en partenariat avec le CEA et l’Institut National de l’Énergie Solaire, ont ainsi mis au point le film solaire Asca, un support photovoltaïque souple et organique à base de polymères. Dépourvue de silicium et métaux rares, cette technologie pourra par sa souplesse intégrer des petits objets comme des sacs, des vêtements ou des stores, mais aussi toute surface exposée au soleil, même courbe. Malgré un rendement attendu de seulement 8% (4% aujourd’hui), tout l’intérêt de cette innovation vise à maximiser la couverture solaire depuis des abris bus jusqu’à des bâches de piscine.
Toujours pour capter plus d’énergie solaire, les ingénieurs du groupe LafargeHolcim et la start-up Heliatek viennent de mettre au point un prototype de façade photovoltaïque, un film solaire flexible également, associant des panneaux de béton fibré et un système intégré de production d’énergie. De son côté, la société Sunpartner est plus avancée après avoir lancé, le 5 octobre dernier, sa première ligne de fabrication de panneaux solaires transparents et colorés destinés à couvrir les façades des bâtiments tout en rendant invisible la technologie.
Pour le marché solaire des particuliers, la technologie développée par l’industriel Systovi avec R-Volt a de quoi attirer l’attention. Aérovoltaïque, cette solution permet de produire électricité et chaleur et d’exploiter ainsi jusqu’à 80% de l’énergie solaire captée en toiture en journée. « Au recto, le panneau produit de l’électricité, au verso l’air chaud est collecté par une gaine d’air brevetée, aspiré et filtré par une centrale de traitement d’air et de gestion d’énergie piloté par un thermostat, avant d’être insufflé dans l’habitat en fonction des besoins », décrit Systovi.

Pour améliorer les rendements, les dispositifs tendent ainsi à déployer toujours plus de technologie. « Nous avons identifié deux nouvelles technologies permettant d’améliorer le rendement et la production d’une centrale solaire. Les trackers permettent d’augmenter le rendement d’un panneau jusqu’à 30% en suivant la course du soleil, ou encore les modules biface, explique EDF Énergies Nouvelles. Ces modules produisent de l’énergie par la face avant et la face arrière. Le gain énergétique grâce à la production de la face arrière générée par réverbération peut atteindre 50% dans le cas de sols très réverbérant comme la neige. Il est de l’ordre de 10% pour les sols ordinaires ».

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L’immense potentiel de l’éolien en mer

Autre source d’énergie renouvelable, le vent concentre aussi les talents de l’ingénierie et les investissements des grands groupes et start-up pour livrer tout son potentiel. Si les éoliennes terrestres évoluent en termes de puissance et de robustesse, c’est surtout sur et dans les eaux qu’elles captent l’attention. Plus de 3 500 éoliennes en mer peuplent déjà le littoral européen, pour une puissance de 12,6 gigawatts, et les technologies flottante, hydrolienne et houlomotrice laissent entrevoir un gigantesque destin énergétique aux mers et océans de la planète.

« EDF Énergies Nouvelles se positionne depuis plusieurs années sur de nouvelles expertises dans les énergies marines renouvelables. Dans l’hydrolien, avec un projet industriel en développement au Raz-Blanchard (Manche), et dans l’éolien flottant avec un projet pilote à l’étude au large de Fos-sur-Mer (Bouches-du-Rhône) », souligne l’entreprise.
Baptisé Provence Grand Large, ce projet est composé de 3 éoliennes de 8 MW fournies par Siemens Gamesa, d’un système de flotteurs développé par SBM Offshore et IFP Énergies Nouvelles, installés à 17 km au large de Port-Saint-Louis-du-Rhône.
Projet pilote français toujours, Floatgen est déjà testé au large du Croisic. Équipée d’un flotteur innovant en béton ancré au sol par des câbles en nylon, cette éolienne flottante développée par la start-up Ideol, en association avec Bouygues TP et l’École centrale de Nantes, devrait bientôt alimenter 5000 foyers.
Et le flottant fait des émules à travers le monde. L’Écosse a même récemment dépassé l’étape du prototype en reliant pour la première fois au réseau une ferme de 5 éoliennes flottantes baptisée Hywind. Développée par la compagnie norvégienne Statoil et l’entreprise émirati Masdar, elle se situe à 25 km des côtes. Mesurant 253 mètres de haut, chaque éolienne est montée sur un flotteur semi-immergé de 90 m de long lesté de 5000 tonnes de minerai de fer. Une vraie prouesse d’ingénierie dont les deux entreprises associées estiment qu’elle peut fonctionner dans des eaux jusqu’à 800 m de profondeur.
Car c’est tout l’intérêt de l’éolien flottant. Un avantage face aux opposants pour qui les éoliennes ont un impact paysager, mais surtout en termes d’énergie, les vents étant plus forts et plus réguliers au large.
Concernant les technologies hydroliennes, qui exploitent l’énergie des courants, les ingénieurs et chercheurs sont là encore mobilisés. Tandis que Sabella en France a été l’une des premières à installer une hydrolienne au large de Ouessant et à alimenter l’île en électricité, EDF Énergies Nouvelles développe un projet de ferme pilote, Normandie Hydro, situé dans le Raz-Blanchard. « Notre objectif est de confirmer la technologie et le modèle d’exploitation et de maintenance des fermes hydroliennes dans une logique préindustrielle, mais aussi de valider la production électrique d’un parc hydrolien dans des courants marins parmi les plus importants du monde », confie EDF Énergies Nouvelles.
Plus au nord cette fois, à Boulogne-sur-Mer, la société Eel Energy teste actuellement une technologie totalement nouvelle : l’hydrolienne à membrane ondulante. Développée sous l’impulsion de son président, Jean-Baptiste Drevet, un ingénieur travaillant sur les interactions fluide-structure depuis 20 ans, elle s’appuie sur une membrane, sorte de grande palme, qui ondule tel un poisson au gré de courants de 3m/sec pour produire de l’énergie. Une innovation encore immature mais qui montre l’intérêt d’une énergie hydrolienne dont la France a le deuxième potentiel européen.
Plus immatures encore, les technologies houlomotrices sont toutefois très attendues. Car, comme le courant, les vagues se forment régulièrement jour et nuit et sont bien plus puissantes. Deux acteurs industriels sont particulièrement investis pour développer une ingénierie efficace, industrialisable et pertinente économiquement : le finlandais Fortum d’un côté et le néerlandais SBM offshore de l’autre.

Vue du parc éolien Catalan, Incrediblengineers Assystem

Stockage : le domaine d’innovation le plus scruté

Toutefois, s’il est bien un domaine de recherche et d’innovation où les ingénieurs sont invités à faire des prouesses, c’est le stockage. Car pour parvenir à des mix énergétiques futurs entièrement renouvelables, il faudra être en mesure de ne pas gaspiller les surplus d’énergie produits le jour pour le solaire et par temps venteux pour l’éolien. Associés à des smart grid en ville ou dans des zones non connectées, les systèmes de stockage permettent de restituer plus tard cette énergie et de lisser la demande.

En la matière, le potentiel des batteries est largement étudié et testé. « EDF Énergies Nouvelles compte deux réalisations dans le domaine du stockage : la centrale solaire de Toucan en Guyane (5 MWc) et le projet Mc Henry aux États-Unis (20 MW de puissance, 40 MW de capacité dynamique), précise l’entreprise. Deux projets pourvus d’un système de stockage innovant combinant une batterie de stockage d’énergie et un logiciel de conduite informatisée ».

Sa filiale anglaise a par ailleurs remporté un projet d’installation de stockage par batterie (49 MW) sur le site de la centrale à gaz à cycle combiné de West Burton, dans le comté du Nottinghamshire. « Dans un contexte marqué par une croissance forte de la production d’énergies renouvelables et par la fermeture de grandes installations électriques, la technologie de stockage par batterie contribue à lisser la production du réseau électrique national. Le système de stockage peut être activé sur le réseau d’électricité pour répondre rapidement aux fluctuations », explique encore EDF EN.
À côté des batteries, les technologies aujourd’hui à l’étude ou en déploiement s’appuient sur le power to gas, autrement dit la conversion de l’électricité en gaz, lequel, une fois comprimé, se stocke plus aisément. Comme l’hydrogène. S’il est impossible de citer tous les projets de stockage via l’hydrogène dont le projet corse Myrte et la société McPhy Énergie ont été parmi les précurseurs en France, notons par exemple celui de la start-up Sylfen.
Née de 10 ans de travaux menés au sein du CEA, elle a mis au point un Smart Energy Hub qui permet de stocker les surplus d’électricité produits sous forme d’hydrogène et de les restituer en continu.
Protégée par 22 brevets, cette solution se démarque par la réversibilité de son processeur d’énergie, « une première mondiale », selon Nicolas Bardi, président de Sylfen. « Notre équipement est capable de fonctionner comme un électrolyseur pour transformer en hydrogène le surplus d’électricité créé localement et, inversement, en mode pile à combustible pour restituer cet hydrogène sous forme d’électricité quand on en a besoin », a-t-il confié au Monde en avril dernier.
Les énergies renouvelables sont donc au cœur de l’ingénierie de demain et nécessitent pour se déployer un large éventail de compétences, allant des systèmes électriques à la résistance des matériaux, en passant bien sûr par le numérique, sans lesquelles l’avenir ne saurait être durable.

Assystem en collaboration avec Sylex - Id
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Assystem en collaboration avec Sylex - Id

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