Technologies

L’énergie hydraulique est le principal pilier de l’approvisionnement en électricité en Suisse. Les centrales nucléaires suisses produisent également de grandes quantités d’électricité. Compte tenu de la sortie progressive du nucléaire, à terme, elles devront néanmoins être entièrement remplacées par d’autres technologies, à savoir le photovoltaïque, les centrales thermiques à énergie renouvelable et l’éolien. Voici une présentation générale des principales technologies actuelles et futures.
Lac de barrage hydraulique d'Émosson

Énergie hydraulique

L’hydraulique est le premier agent énergétique pour la production d’électricité en Suisse. On distingue la grande hydraulique de la petite hydraulique. Les centrales d’une puissance inférieure à 10 MW sont désignées par le terme de «petite hydraulique». Les centrales hydroélectriques se subdivisent en trois catégories: les centrales au fil de l’eau, les centrales à accumulation et les centrales de pompage-turbinage.

Les centrales au fil de l’eau se trouvent en bordure des fleuves et des rivières. Elles utilisent directement et en continu l’eau qui afflue et produisent ainsi sur la durée, mais sont toutefois sujettes à de fortes variations saisonnières.

Les centrales à accumulation, en revanche, peuvent adapter leur production en fonction des besoins journaliers – et produire ainsi de l’énergie de pointe, particulièrement précieuse. Elles se situent essentiellement dans les régions alpines. L’eau peut être stockée dans les lacs de retenue et prélevée pour la production d’électricité en cas de besoin d’énergie accru. Cela rend les centrales hydroélectriques à accumulation particulièrement précieuses pour l’approvisionnement hivernal, l’eau pouvant être stockée dans des réserves saisonnières pour la saison froide.

Une partie des centrales hydroélectriques à accumulation est constituée de centrales de pompage-turbinage. Contrairement aux centrales à accumulation, les centrales de pompage-turbinage disposent non seulement d’un lac de retenue en amont, mais également d’un bassin en aval. L’eau peut y être pompée pour remplir à nouveau le lac en amont. En raison de leur flexibilité, elles sont essentielles à un système d’approvisionnement en électricité fiable à tout moment et notamment pour assurer la stabilité du réseau.

Principale technologie de production d’électricité – aujourd’hui et demain (H3)

L’hydraulique représentait un peu moins de 53% de la production en 2022, soit 33,56 TWh. La part de l’hydraulique était, en 2022, nettement plus faible que les années précédentes (-15,2% comparé à 2021), pendant lesquelles les centrales hydroélectriques avaient produit plus de 60% de courant généré en Suisse. L’année 2022 a été marquée par une sécheresse historique. Un peu partout, elle s’est révélée l’année la plus pauvre en précipitations, la plus chaude et, en même temps, la plus ensoleillée depuis le début des mesures (1864). Cela a eu pour conséquence une production d’électricité issue de l’hydraulique extraordinairement basse en 2022. À titre de comparaison: la production annuelle escomptée se situe en moyenne autour de 37,2 TWh. 

Environ 1300 installations hydrauliques fournissent de l’électricité et contribuent très nettement à la stabilisation du réseau, car elles sont parfaitement planifiables et pilotables. En outre, elle fournit une combinaison utile d’énergie en ruban et d’énergie de pointe tout en permettant le stockage saisonnier de l’énergie. L’ensemble de ces facteurs fait de l’hydraulique un agent énergétique particulièrement précieux pour l’approvisionnement hivernal.

D’après l’étude scientifique «Avenir énergétique 2050» de l’AES, l’hydraulique restera le pilier principal de l’approvisionnement électrique en Suisse. Son potentiel de développement est évalué à environ 2 TWh par an. Ce volume de développement doit être réalisé d’ici 2040. En outre, afin d’améliorer la sécurité du système énergétique en hiver, les autorités, le secteur de l’électricité et divers groupements d’intérêt réunis en table ronde se sont accordés sur 15 projets de centrales hydroélectriques, qui doivent fournir 2 TWh de courant hivernal supplémentaire (transfert des étés à l’hiver, pas de surproduction). L’approvisionnement hivernal étant le point le plus sensible, le Parlement fédéral a déclaré urgente la réalisation de ces 15 projets.

Photovoltaïque

On entend par «photovoltaïque» (PV) la conversion directe du rayonnement solaire en courant électrique à l’aide de cellules solaires. Le courant continu ainsi généré est converti en courant alternatif par un onduleur et peut être utilisé pour la consommation propre ou injecté dans le réseau électrique.

Toute surface extérieure peut être utilisée pour produire de l’électricité solaire. Les installations solaires sur les toits et en façade, c’est-à-dire montées sur des infrastructures existantes, sont toutefois les plus répandues. Le potentiel technique est considérable. Les installations photovoltaïques peuvent toutefois aussi être placées au sol, c’est-à-dire sur des terrains tels que de vastes prairies ou dans les (hautes) Alpes. Les installations solaires au sol peuvent être fixes ou mobiles. Dans ce dernier cas, les panneaux suivent alors la position du soleil. En Suisse, les installations au sol gagnent en importance. De nombreux projets voient actuellement le jour et sont en cours de mise en œuvre. Cela s’explique notamment par les mesures décidées par le Parlement (notamment l’offensive solaire) destinées à accélérer et à faciliter la réalisation d’installations photovoltaïques au sol.

L’importance croissante de l’énergie solaire pour l’approvisionnement en électricité représente un défi pour les réseaux électriques. Contrairement à l’heure actuelle, où une poignée de grandes centrales électriques centralisées assurent la majeure partie de la production d’électricité, à l’instar des installations photovoltaïques, de nombreux petits sites de production décentralisés produiront de l’électricité à l’avenir. Les réseaux électriques, en particulier aux niveaux de réseau inférieurs (réseau de distribution), doivent être développés pour pouvoir prélever et distribuer cette électricité produite de manière de plus en plus décentralisée.

Bientôt le principal agent énergétique avec l’hydraulique

La part du photovoltaïque dans la production d’électricité s’élevait à 2,9 TWh en 2021. En 2022, les installations photovoltaïques produisaient déjà 3,9 TWh de courant, soit environ 7% de la production d’électricité en Suisse. La part du courant solaire progresse en continu d’année en année.

Cette technologie revêt un gros potentiel. Selon différentes sources, la production annuelle de courant solaire pourrait dépasser la quantité actuellement consommée dans le pays. La potentiel des installations photovoltaïques montées sur des infrastructures existantes est estimé à environ 60 TWh (variable selon les sources). Le potentiel des installations photovoltaïques au sol dans les régions alpines est évalué à un peu plus de 5 TWh par an. Le grand avantage des installations alpines au sol réside dans leur rendement annuel, près de deux fois supérieur à celui d’une installation comparable en plaine. De plus, elles sont particulièrement productives pendant les mois d’hiver, ce qui signifie du courant en plus pendant la saison froide et, ainsi, des garanties supplémentaires pour l’approvisionnement hivernal.

Éolien

Les installations éoliennes convertissent en électricité l’énergie cinétique des masses d’air qui se déplacent. Une éolienne se compose d’un mât, d’une nacelle et d’un rotor, généralement équipé de trois pales. Elle occupe une superficie à peu près équivalente à celle d’une maison individuelle. Une éolienne commence à produire du courant dès que la force du vent atteint 10 km/h. Ces installations extrêmement robustes ne sont arrêtées qu’en cas de très longues et fortes bourrasques de plus de 150 km/h pour éviter des dégâts. Elles produisent actuellement du courant 80% du temps.

La Suisse compte 12 parcs éoliens avec un total de 41 éoliennes en service (chiffres de 2022), soit une puissance installée de 87 MW pour une production annuelle de 0,15 TWh. Un parc éolien supplémentaire comptant 6 éoliennes est en cours de construction. De plus, des procédures de demande d’autorisation sont en cours pour 18 projets et 35 autres parcs éoliens sont en planification (chiffres de 2022).

En Suisse, différents sites se prêtent à l’implantation d’éoliennes. Les éoliennes génèrent les deux tiers de leur production durant la saison froide, ce qui en fait une technologie particulièrement intéressante pour l’approvisionnement hivernal.

Un complément important pour un approvisionnement en électricité plus résilient

La part de l’énergie éolienne dans la production d’électricité en Suisse est actuellement encore faible: en 2022, elle a fourni environ 0,15 TWh, soit à peine 0,2% de la production nationale. Le potentiel de développement est nettement plus important: l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) évalue à 29,5 TWh par an le potentiel total de l’éolien en Suisse, ce qui correspondrait à une production d’électricité hivernale de 19 TWh. Selon le document Conception énergie éolienne, la Confédération vise une production de d’électricité à partir de l’éolien de 4,3 TWh d’ici à 2050.

Selon l’étude de l’AES «Avenir énergétique 2050», la clé du développement de l’éolien réside avant tout dans les scénarios offensifs, autrement dit dans une acceptation élevée des nouvelles infrastructures énergétiques dans le pays. L’étude table sur un potentiel de développement réalisable de 3 TWh par an d’ici à 2050, soit 2 TWh de courant hivernal précieux. Cette même étude considère l’éolien comme un complément important des autres sources d’énergie renouvelable, qui contribue à une plus grande résilience de l’approvisionnement global en électricité et fournit des garanties supplémentaires en hiver.

(Source: Centrale nucléaire de Gösgen)

Nucléaire

L’énergie nucléaire occupe actuellement la deuxième place parmi les technologies de production d’électricité en Suisse. Elle produit de l’électricité 24 heures sur 24 (énergie en ruban). De facto, une centrale nucléaire est une centrale thermique. On y pratique une fission contrôlée d’atomes d’uranium. Cette fission libère de l’énergie qui chauffe de l’eau sous haute pression, ainsi transformée en vapeur qui entraîne une turbine reliée à un alternateur. Contrairement à d’autres centrales thermiques comme les centrales à charbon ou à gaz, les centrales nucléaires ne génèrent ni polluants atmosphériques ni gaz à effet de serre. L’électricité issue du nucléaire est largement exempte de CO2, ce qui rend la production d’électricité de la Suisse extrêmement respectueuse du climat.

La fission des atomes d’uranium génère des déchets radioactifs, qui doivent être conditionnés dans des enceintes de protection massives et en partie éliminés dans des dépôts en couches géologiques profondes pendant des centaines d’années. Le choix final d’un dépôt en couches géologiques profondes fait actuellement l’objet d’une vaste procédure démocratique. Dans l’intervalle, les déchets radioactifs seront stockés dans un dépôt intermédiaire (voir Nagra).

La production d’électricité issue des centrales nucléaires recèle certains risques malgré des normes de sécurité élevées. Au printemps 2011, consécutivement à la catastrophe nucléaire de Fukushima, le Conseil fédéral et le Parlement ont décidé d’un moratoire sur la construction de nouvelles centrales nucléaires en Suisse. La sortie progressive du nucléaire ainsi que l’interdiction de construire de nouvelles centrales ont été avalisées par la population suisse en 2017 (adoption de la Stratégie énergétique 2050). Les installations existantes peuvent continuer d’être exploitées tant que leur sécurité est garantie. Ce contrôle de sécurité est effectué par l’Inspection fédérale de la sécurité nucléaire (IFSN).

À l’heure actuelle, quatre centrales sont en fonction en Suisse: Beznau 1 (depuis 1969), Beznau 2 (depuis 1972), Gösgen (depuis 1979) et Leibstadt (depuis 1984). La centrale de Mühleberg, en service depuis 1972 (comme Beznau 2), a été soustraite du réseau en 2019.

Une contribution importante jusqu’à la désaffectation

L’énergie nucléaire est un pilier important de l’approvisionnement en électricité en Suisse. Les quatre centrales nucléaires ont produit plus d’un tiers du courant suisse en 2022, soit 21 TWh. Les centrales nucléaires produisent de l’énergie en ruban, autrement dit elles assurent une production fiable 24 heures sur 24. Par conséquent, l’énergie nucléaire contribue de manière significative à la sécurité d’approvisionnement et à la stabilité du réseau tout au long de l’année (jour et nuit).

La Suisse a cependant opté pour une sortie progressive du nucléaire. Contrairement à d’autres pays, elle n’a toutefois défini aucune date d’arrêt fixe. Les quatre réacteurs peuvent être exploités tant que leur sécurité est garantie. Compte tenu d’une durée d’exploitation de 60 ans, la centrale de Leibstadt serait la dernière à être désaffectée au milieu des années 2040. L’énergie nucléaire contribuera donc encore pendant de nombreuses années à l’approvisionnement en électricité. D’ici la fin de la durée de vie des centrales, le développement des énergies renouvelables devra être suffisamment avancé pour que celles-ci puissent se substituer totalement à l’énergie nucléaire et couvrir la demande croissante d’électricité qui résultera de la décarbonation.

Hydrogène

L’hydrogène (H2) est l’élément le plus répandu, présent dans la grande majorité des composés organiques. Il est invisible, incolore, insipide et non toxique. L’hydrogène est l’élément chimique à la plus faible masse atomique, mais présente une densité énergétique considérable (pour une masse donnée, le H2 contient 3 fois plus d’énergie que l’essence ou 7 fois plus que des pellets de bois).

Il existe essentiellement trois façons d’obtenir de l’hydrogène. Le procédé le plus courant actuellement est le vaporeformage du gaz naturel. Dans ce cadre, le gaz naturel chauffé et décomposé réagit à la vapeur d’eau. Le produit final obtenu est de l’hydrogène gris – ainsi baptisé en raison des émissions de CO2 générées par ce procédé. Lorsque les émissions de CO2 sont captées et stockées, on parle d’hydrogène bleu. L’hydrogène vert, quant à lui exempt de CO2, résulte d’un procédé qui utilise l’eau comme matière première au lieu du gaz naturel. Cet eau est convertie en hydrogène et en oxygène par électrolyse. L’appellation d’hydrogène vert est cependant soumise au recours à un procédé d’électrolyse utilisant de l’électricité produite de manière renouvelable.

L’hydrogène devrait jouer un rôle important dans l’approvisionnement énergétique européen à l’avenir, y compris en Suisse. Dans l’étude «Avenir énergétique 2050», l’AES part du principe qu’un marché mondial de l’hydrogène se développera avec des réseaux d’hydrogène correspondants à l’échelle européenne. Le fait qu’au niveau de l’UE, dans le cadre du Pacte vert pour l’Europe, l’utilisation de l’hydrogène vert soit annoncée comme un pilier du système énergétique et que des décisions aient déjà été prises en ce sens, plaide notamment en faveur de cette hypothèse. L’Allemagne aussi a adopté une stratégie nationale pour l’hydrogène avec des mesures et des objectifs concrets. Les grands fournisseurs de gaz européens travaillent sur un concept d’adaptation et d’extension du réseau de gaz naturel afin de mettre à disposition un réseau européen d’hydrogène d’ici à 2040. Dans l’état actuel des choses, il est donc considéré comme acquis qu’un marché transeuropéen de l’hydrogène se développera. La question qui se pose pour la Suisse est de savoir quand et à quelles conditions elle sera raccordée à celui-ci.

Figure 22 de l’«Avenir énergétique 2050»: Bilans de l’hydrogène dans les quatre scénarios pour les quatre années de référence sélectionnées.

L’importation d’hydrogène vert via l’infrastructure d’hydrogène européenne en cours de développement peut devenir un pilier de l’approvisionnement énergétique aux côtés de l’hydroélectricité et du photovoltaïque, en particulier en hiver. Dans le scénario «offensif-intégrée», les centrales à gaz fonctionnant à l’hydrogène fournissent environ 13 TWh d’électricité sur l’ensemble de l’année, dont 9 TWh en hiver. Elles couvriraient ainsi environ 20% des besoins hivernaux.

Autres technologies

Couplage chaleur-force

Les installations de couplage chaleur-force (installations CCF) produisent simultanément de la chaleur et de l’électricité. La chaleur nécessaire aux processus industriels, aux fins de chauffage ou à la préparation d’eau chaude est déterminante pour l’exploitation. Le courant produit dans le cadre du même processus peut être utilisé localement ou injecté sur le réseau d’électricité. Plus la quantité de chaleur produite est importante, plus l’installation de CCF est efficace. Les installations CCF sont parfaitement planifiables. Par leur flexibilité, elles contribuent à la stabilité du réseau de distribution et à la sécurité d’approvisionnement.

En 2021, elles ont produit 2,2 TWh d’électricité. Les installations CCF représentent plus de la moitié de la production des centrales thermiques, mais moins de 5% de la production totale d’électricité en Suisse.

Actuellement alimentées par des énergies fossiles ou partiellement fossiles, elles pourront à l’avenir fonctionner largement à l’hydrogène ou avec des gaz de synthèse. Elles présentent donc un intérêt dans l’optique d’un système énergétique décarboné. De plus, elles produisent à la fois de la chaleur et de l’électricité. Les modélisations de l’étude de l’AES «Avenir énergétique 2050» partent elles aussi du principe que les centrales thermiques alimentées par des énergies renouvelables, à l’instar des installations CCF, seront un soutien majeur de l’approvisionnement en électricité et en chaleur durant les mois d’hiver.

Biomasse

Les matériaux organiques tels que le bois, les déchets verts issus de l’agriculture et des jardins, les déchets de cuisine et la biomasse dans les eaux usées d’origine agricole et communale sont une ressource précieuse qui permet de produire du courant et de la chaleur de façon écologique. La biomasse s’utilise alors de différentes manières. La majeure partie du courant issu de la biomasse provient aujourd’hui d’usines d’incinération des ordures ménagères, car la moitié des déchets qu’elles retraitent est considérée comme de la biomasse.

Les usines d’incinération des ordures ménagères fonctionnent en principe – comme les centrales à bois – de la même manière que les autres centrales thermiques: la chaleur de combustion permet de produire de la vapeur d’eau, qui actionne à son tour une turbine. Les déchets verts et la biomasse issue des eaux usées d’origine communale et agricole sont généralement fermentés et transformés en biogaz. Ce dernier fait tourner un moteur, qui entraîne à son tour un générateur d’électricité. La chaleur qui s’en dégage peut être utilisée, permettant d’atteindre un degré d’efficacité globale supérieur.

En 2021, la biomasse représentait un peu plus de 1% de la production, soit 0,7 TWh. Le potentiel de la biomasse pour le système énergétique est limité. L’utilisation de la biomasse à des fins énergétiques peut toutefois être augmentée par des importations (essentiellement sous forme de biométhane).

Centrales à gaz à cycle combiné (CCC)

Les centrales à gaz à cycle combiné (CCC) disposent d’une turbine à vapeur en plus d’une turbine à gaz pour la production d’électricité. Elles offrent un rendement électrique élevé, qui les classe parmi les centrales thermiques particulièrement efficaces. En outre, elles se distinguent par leur grande flexibilité d’exploitation, un avantage notamment pour la stabilité du réseau.

La combustion du gaz naturel pour l’alimentation des CCC est cependant associée à des émissions de CO2. Les CCC présentent toutefois l’avantage de pouvoir également fonctionner, le moment venu, au biogaz, avec d’autres gaz de synthèse (renouvelables) et à l’hydrogène. En ce sens, elles constituent une technologie intéressante et polyvalente, comme le souligne l’étude de l’AES «Avenir énergétique 2050». L’étude table sur une puissance maximale disponible des CCF de 2 GW en 2050. Cette puissance permettrait aux CCC fonctionnant à l’hydrogène de produire 7,5 TWh à 12,1 TWh d’électricité, selon les scénarios.

Géothermie

La géothermie constitue une source d’énergie pour ainsi dire inépuisable. Elle peut être exploitée pour la récupération de chaleur et la production de courant, indépendamment du climat, de l’heure de la journée ou de la période de l’année. En raison des variations de température dans les différentes couches de terre, on distingue la géothermie de faible profondeur et la géothermie profonde. Les deux processus exploitent les températures de 100 à 200 degrés Celsius qui règnent entre trois et cinq kilomètres de profondeur.

Alors que la géothermie peut être utilisée pour le chauffage dès 40 degrés Celsius, l’électricité ne peut être produite qu’à partir d’une température de 100 degrés Celsius. En Suisse, il n’existe encore aucune installation produisant de l’électricité à partir de la géothermie (sachant qu’il existe plusieurs centaines d’installations produisant de l’électricité renouvelable dans le monde, réparties dans 29 pays). Depuis 1994, une installation géothermique à Riehen (BS) alimente en chauffage quelque 8800 foyers.

En 2021, les systèmes utilisant la géothermie ont fourni 4,6 TWh d’énergie de chauffage, dont 96,4% provenant d’installations reliées à des pompes à chaleur. Les 3,6% restants correspondent à une utilisation directe de la géothermie.

En termes de production d’électricité, le potentiel de la géothermie est considérable. Les connaissances actuellement très limitées des profondeurs du sous-sol constituent toutefois un frein au développement de la géothermie de moyenne à grande profondeur. Cet obstacle doit être surmonté au moyen de la recherche et d’analyses. Pour cette raison, les projets de recherche portant sur la géothermie sont soutenus par des contributions.