Qu’est-ce que le couplage sectoriel?

Définition

Le couplage sectoriel est devenu une sorte de mot à la mode dans les entreprises énergétiques européennes. Le plus souvent, cela signifie remplacer la séparation traditionnelle des secteurs énergétiques de l’électricité, du chauffage et de la réfrigération, des transports et des processus de consommation industrielle au profit d’une approche holistique. Le couplage sectoriel vise à décarboner l’économie nationale en convertissant l’approvisionnement énergétique le plus complètement possible en électricité, pour aboutir finalement à une « société entièrement EnR». Une condition préalable est l’utilisation de tout le potentiel de flexibilité des producteurs et des consommateurs ainsi que le stockage de l’énergie sous ses différentes formes.

Au cours des deux premières décennies du XXIe siècle, les énergies renouvelables ont montré qu’elles sont capables de couvrir une part toujours plus grande des besoins en électricité dans le monde. Il a donc déjà été possible de décarboner une part considérable de l’approvisionnement en électricité. Le principal problème actuel du couplage sectoriel est d’étendre ce succès aux secteurs à forte intensité d’énergie et d’émissions des transports, de l’approvisionnement en chaleur, de l’agriculture et de l’industrie lourde. Le principal objectif économique du point de vue de la protection du climat est donc de répéter le succès des énergies renouvelables sur le marché de l’électricité en couplant tous les secteurs de l’économie qui produisent, consomment et stockent de l’énergie. Ce couplage sectoriel, principalement basé sur l’électricité produite à partir de sources d’énergies renouvelables, devrait permettre d’atteindre un niveau net zéro d’émissions de CO2.

Le système énergétique du futur est basé sur l’électricité

Le couplage sectoriel dit adieu à l’industrie de l’énergie en tant que domaine distinct de la recherche économique et se concentre plutôt sur l’ensemble de l’économie en tant qu’interaction flexible des processus de production, de consommation et de stockage d’électricité, avec pour objectif la neutralité climatique. Toutefois, cet objectif ne peut être atteint que si toute l’énergie requise est produite à partir de sources d’énergie renouvelables. Les anciennes sources d’énergie primaire que sont le pétrole, le charbon et le gaz doivent donc être remplacées non seulement dans le système électrique actuel, mais aussi dans tous les autres processus de consommation – c’est-à-dire dans les transports, la production de chaleur, l’agriculture, l’industrie lourde et d’autres secteurs.

Alors que de grands progrès ont été réalisés dans le réseau électrique, les procédés industriels basés sur l’électricité, la réfrigération et la climatisation ainsi que les secteurs des transports et de la production de chaleur dépendent encore beaucoup du pétrole et du gaz en tant que sources d’énergie primaire. Les technologies Power-to-X telles que Power-to-Gas (P2G) pour la production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables ou Power-to-Heat (P2H) pour la production de chaleur à partir d’énergies renouvelables existent déjà, mais la plupart d’entre elles sont encore au stade expérimental ou ne sont pas encore actives à grande échelle – bien qu’il existe des pionniers engagés dans le secteur P2G.

Paradoxe : le stockage de l’électricité et la flexibilité sont à la fois des conditions préalables et des résultats du couplage sectoriel

Par rapport aux combustibles liquides ou gazeux, l’électricité présente l’inconvénient de ne pas pouvoir être facilement stockée dans un « récipient » / réseau sans pertes. L’énergie électrique doit donc être stockée de manière électrochimique, dans des batteries ou sous forme convertie, par exemple sous forme d’hydrogène gazeux dans des procédés P2G, dans un stockage par pompage ou dans un stockage de couple. Des pertes d’énergie accompagnent toutes ces options de stockage ou de conversion.

Les batteries, en particulier, sont très coûteuses et ne sont certainement pas libres de controverse en termes de construction et de consommation de matières premières ; les solutions Power to X doivent concurrencer sur le marché les combustibles fossiles qui sont encore très bon marché à exploiter.

Une utilisation intelligente de la flexibilité peut réduire les exigences de stockage

Il existe un potentiel de flexibilité dans le couplage sectoriel à différents points : Par exemple, un parc de camions industriels électriques peut fournir de l’énergie d’équilibrage, des parcs de véhicules électriques peuvent charger de manière flexible et optimisée en termes de coûts, des chambres froides peuvent refroidir de manière optimisée en termes de coûts en exploitant l’inertie des processus thermiques, et bien plus encore. En particulier dans les entreprises de taille moyenne, il existe un grand nombre de potentiels flexibles, qui n’attendent qu'à être découverts.

Couplage sectoriel dans les transports et la logistique

Dans le secteur des transports, le couplage sectoriel a progressé à des rythmes différents selon les régions. Des recherches intensives sont encore nécessaires dans le domaine du transport aérien, maritime et routier par véhicules lourds. Le principal problème tourne autour du fait que l’énergie doit être stockée et transportée dans le véhicule afin de maintenir la mobilité individuelle. Les moyens de transport par câbles aériens tels que les chemins de fer ne sont actuellement pas en mesure d’assurer une mobilité suffisante, en particulier dans les régions faiblement peuplées.

Afin de mettre l’électricité sur la route dans le sens d’un couplage sectoriel, de nombreux constructeurs automobiles se concentrent donc sur les concepts de batteries. Partout dans le monde, des centaines de milliers d’ingénieurs participent à des projets de recherche mondiaux visant à augmenter la capacité et la portée des batteries tout en réduisant les coûts. Les innombrables accumulateurs connectés au réseau électrique pendant les heures de charge ouvrent un énorme potentiel de flexibilité, connu sous le nom de « Vehicle-to-Grid (V2G – véhicules à réseau). Par exemple, en cas de vent faible et de ciel couvert, les batteries des véhicules pourraient compenser des déséquilibres mineurs dans le réseau électrique en raison du manque d’alimentation par le vent et l’énergie photovoltaïque en fournissant une énergie de contrôle positive.

En plus des concepts de batterie, l’hydrogène est de plus en plus discuté comme source de combustible. Pour une utilisation dans les véhicules automobiles, les options de stockage sont comparativement plus simples et moins coûteuses. Les problèmes résident principalement dans la production d’hydrogène, en particulier en ce qui concerne la production à grande échelle utilisant des énergies renouvelables. Les technologies de propulsion à base d’hydrogène (moteurs à pistons convertis ou Wankel, turbines ou piles à combustible) sont également hautement améliorables en termes d’efficacité. Cependant, et en particulier au Japon, les grands constructeurs automobiles misent de plus en plus sur des moteurs à base d’hydrogène. En Allemagne, ce sont surtout les constructeurs de véhicules utilitaires qui se concentrent sur l’hydrogène comme carburant : l’hydrogène provenant des systèmes P2G pourrait être ravitaillé le long des autoroutes pendant les périodes de repos prescrites pour les conducteurs de camions. Dans le secteur de la logistique, les solutions électriques pour les livraisons locales gagnent déjà du terrain, en partie grâce à la mise au point de leurs propres véhicules, et les autorités locales se tournent également vers les autobus électriques et les taxis équipés de moteurs électriques.

Mais comment pourra-t-on alimenter les navires porte-conteneurs, les avions intercontinentaux et les poids lourds en électricité produite à partir d’énergies renouvelables? Du moins pour l’aviation, les batteries ne sont pas une véritable alternative, comme le montre cet exemple tiré d’un portail de l’industrie aéronautique. Si un Airbus A320 Neo était équipé de batteries lithium-ion chargées au poids total de ses réservoirs de kérosène pleins, il ne pourrait rester dans l’air que pendant environ 20 minutes. L’avion pourrait à peine voler en ligne droite et sans variations de hauteur et il serait impossible d'effectuer des décollages ou des atterrissages en toute sécurité en raison d’un manque de puissance. Pour combler le temps de vol complet d’environ sept heures, l’avion devrait transporter 260 tonnes de batteries lithium-ion. Cela équivaut à environ trois fois et demie la masse maximale au décollage de l’Airbus A320 de 70 tonnes, sans compter l’avion lui-même.

Résumé du couplage sectoriel dans le trafic : Le processus de révision, qui a 30 ans d’avance dans la production d’électricité, en est encore à ses débuts dans le secteur des transports. Les premières mesures ont été prises, mais des solutions appropriées doivent encore être trouvées pour relever les défis majeurs.

Couplage sectoriel dans la production de chaleur

En termes de couplage sectoriel, la production de chaleur présente un avantage décisif sur le secteur des transports : La chaleur est produite de manière stationnaire dans les bâtiments et ne dépend pas d’un approvisionnement en combustible transportable. De nombreuses technologies différentes sont bien établies dans ce secteur, en particulier en ce qui concerne la production combinée de chaleur et d’électricité (CHP). Chaque fois qu’une machine génère de l’électricité ou de l’énergie cinétique, de la chaleur perdue est générée par la combustion, le frottement, les réactions chimiques, etc. La création d’une utilisation intelligente de cette chaleur est à la base du principe et du succès des unités de production combinée de chaleur et d’électricité (CHP), qui font partie du noyau stratégique des concepts de couplage sectoriel lorsqu’elles sont exploitées avec de l’hydrogène, du biométhane ou des granulés de bois produits de manière renouvelable.

L’utilisation de la chaleur naturelle sous forme de pompes à chaleur à air ou de pompes à chaleur géothermiques est désormais courante dans de nombreux bâtiments neufs en Europe et une adaptation appropriée dans les bâtiments plus anciens peut considérablement améliorer les émissions de CO2 des systèmes de chauffage. L’utilisation du chauffage urbain à partir de procédés industriels ou de centres de données, qui est connue et pratiquée depuis longtemps, est un concept valable au sens de couplage sectoriel, à condition que les pertes de transport puissent être maintenues dans des limites raisonnables. Le chauffage électrique, réputé comme étant un gouffre en matière de coûts et d’énergie sous forme de réchauffeurs à accumulation nocturne, est également sur le point de revenir : les systèmes modernes de chauffage par panneaux infrarouges permettent de transformer l’électricité verte en chaleur écologique à un coût raisonnable.

Dans les villages ou les fermes, les réseaux locaux de chauffage basés sur de plus grandes usines de biogaz gagnent en importance. La chaleur générée est neutre du point de vue climatique ; le transport présente de faibles pertes en raison des courtes distances. De nombreux systèmes de chauffage au mazout et chaudières à gaz liquéfié peuvent ainsi être remplacés d’une manière respectueuse du climat.

Conclusion pour le couplage sectoriel dans la production de chaleur : Contrairement au secteur des transports, diverses technologies déjà éprouvées sont disponibles pour passer de la production de chaleur à des méthodes non fossiles. Le défi réside désormais dans la mise en œuvre généralisée de technologies de chauffage neutres sur le plan climatique.

Mesures d’efficacité et réduction de la consommation globale d’énergie

Cependant, le problème le plus pressant dans le secteur du chauffage n’est pas la production, mais bien le stockage et l’isolation thermique. Bien qu’il y ait eu plusieurs vagues de subventions pour la rénovation liée à l’énergie en Allemagne par le passé, les ménages représentent encore 36 pour cent des émissions de CO2. La qualité des mesures d’isolation qui ont été prises a également varié considérablement.

Des investissements massifs sont donc importants non seulement dans la production de chaleur, mais aussi dans le développement de systèmes d’isolation thermique durable et de haute qualité. Des concepts de transformation d’électricité en chaleur pourraient alors également être mis en œuvre dans des appartements parfaitement isolés. Connectés à une centrale électrique virtuelle, les systèmes de chauffage électrique infrarouge pourraient, par exemple, fournir de l’énergie de chauffage à la pièce juste au moment où de l’électricité bon marché est disponible et arrêter l’approvisionnement en chaleur lorsque les prix augmentent à nouveau.

Les nouvelles technologies réduisent la consommation globale d’énergie – Théoriquement

Grâce aux nouvelles technologies utilisées par les ménages, des solutions de remplacement beaucoup plus économes en énergie ont été mises en place ces dernières années. En particulier, l’éclairage LED fait une énorme différence par rapport aux ampoules conventionnelles. Dans la circulation, les vélos et les scooters électriques ont remplacé de nombreux cyclomoteurs et scooters à moteur thermique. Lorsque les conditions météorologiques sont bonnes et les distances sont courtes, ils remplacent également une proportion sans cesse croissante de la circulation automobile.

En informatique, les ingénieurs ont ajusté les systèmes pour plus d’efficacité depuis des années ; les ordinateurs portables, par exemple, consomment beaucoup moins d’énergie (environ 60 watts) que les systèmes de bureau (environ 130 watts, depuis 2020). Le déplacement de l’utilisation d’Internet vers des appareils mobiles joue également un rôle. Dans le domaine de l’électronique de consommation, la technologie LED est aujourd’hui la principale source d’énergie pour ce qui est des téléviseurs et projecteurs. Presque tous les tubes cathodiques (CRT) ou écrans à plasma à forte consommation d’énergie ont été remplacés dans les foyers européens.

Toutes ces technologies devraient en fait contribuer à une réduction de la consommation d’électricité des ménages – mais l’effet est faible, voire inexistant. L’une des raisons est le besoin de croissance qui est inhérent à notre système économique : les consommateurs ne se contentent plus d’utiliser un seul appareil énergivore, mais un nombre incalculable de petits appareils dans la maison. Dix lampes LED de sept watts chacune consomment également 70 watts par heure. Souvent, ce n’est pas un unique écran, mais un deuxième, un troisième voire un quatrième écran qui doi être chargé ou utilisé sur une unité d’alimentation électrique. Cependant, dans les entreprises dont les systèmes d’éclairage doivent être beaucoup plus efficaces, il existe un grand potentiel d’économie d’énergie pour passer de l’éclairage halogène ou néon aux LED.

Conclusion : Où en sommes-nous dans le couplage sectoriel ?

Les énergies renouvelables ont montré et prouvé qu’elles pouvaient fournir de l’électricité d’une manière propre et sûre. Néanmoins, outre la production d’électricité, il reste encore beaucoup à faire. Les conditions de la transition énergétique sont quelquefois plus favorables (comme dans la production de chaleur et l’industrie) et quelquefois moins favorables (comme dans les transports). Si tous les consommateurs d’énergie du système économique se tournent vers l’électricité produite à partir de sources d’énergies renouvelables, le réseau électrique devra répondre à d’énormes demandes. Les opérateurs de réseau peuvent relever ce défi efficacement grâce à une utilisation judicieuse et flexible des producteurs, des consommateurs et des installations de stockage d’électricité en réseau.

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