PEPR Systèmes énergétiques et énergies renouvelables

Agrivoltaïsme pour une résilience améliorée au niveau du nexus eau-énergie-alimentation : application à la région euro-méditerranéenne

Concilier les besoins en eau et en énergie avec la sécurité alimentaire ne sont pas nécessairement des objectifs antinomiques. En fait, l’adoption d’une approche globale et intégrée de la prise de décision concernant l’eau, l’énergie et l’alimentation peut accroître la résilience des systèmes énergétiques et alimentaires. Des recherches récentes ont étudié les avantages potentiels de l’agriculture associée à une infrastructure solaire photovoltaïque (PV) – appelée « agrivoltaïque » (AV) – sur la production alimentaire, les besoins en eau d’irrigation et la production d’énergie. Le projet AgriPV-ER étudie la solution AV avec des implications prometteuses pour la production alimentaire, les économies d’eau et la production d’énergie renouvelable. Beaucoup de travail est encore nécessaire pour évaluer les avantages et les limites de l’AV à travers le nexus, minimiser ses impacts environnementaux négatifs et maximiser ses externalités positives. La zone euro-méditerranéenne est un endroit clé où des mesures d’adaptation drastiques doivent être prises rapidement pour faire face à la pénurie d’eau et à la demande alimentaire croissantes, et pour développer les énergies renouvelables pour la production d’énergie.

Jordi Bardosa, ingénieur de recherche, Ecole Polytechnique

Architecture d’IA distribuée pour les systèmes énergétiques du futur intégrant un grand nombre de sources distribuées

L’objectif d’AI-NRGY est de répondre aux contraintes majeures des réseaux énergétiques de demain (fortement distribués, dynamiques, hétérogènes, critiques et parfois volatiles) en contribuant à la mise en place de solutions d’intelligence distribuée tirant parti de différentes méthodes de calcul (edge, fog et cloud computing), et en proposant une architecture logicielle ainsi que les méthodes, modèles et algorithmes nécessaires à la mise en œuvre de solutions d’intelligence distribuée susceptibles d’accélérer la digitalisation des réseaux d’énergie.

Thierry Monteil, enseignant-chercheur, INSA Toulouse – Institut de recherche en informatique de Toulouse

Matériaux d’encapsulation biosourcés pour modules photovoltaïques flexibles

Quelle que soit la filière photovoltaïque (PV) considérée, les matériaux d’encapsulation représentent un enjeu majeur. Le projet BioFlexPV vise à développer de nouveaux matériaux d’encapsulation efficaces à partir de matériaux biosourcés ce qui permettra de réduire la dépendance des filières PV à des ressources non renouvelables et, par conséquent, leur impact environnemental. En combinant des polymères issus de la biomasse et des couches denses inorganiques issues de ressources abondantes, nous visons à fabriquer des films d’encapsulation ayant des propriétés barrières aux gaz élevées. Ces nouveaux matériaux d’encapsulation seront intégrés dans différents types de modules PV flexibles et leur durée de vie sera étudiée et analysée en détails.

En combinant cette approche avec l’analyse du cycle de vie, le projet BioFlexPV ambitionne de développer des stratégies d’encapsulation à faible impact environnemental qui pourront être appliquées à différentes familles de modules PV flexibles.

Sylvain Chambon, chercheur, CNRS – Laboratoire de l'intégration du matériau au système 

Concevoir les réseaux de distribution du futur ainsi que leurs convertisseurs statiques

Avec l’intégration des énergies renouvelables, par exemple dans les installations de stockage ou les véhicules électriques, une part croissante des sources, connectées au réseau de distribution via des convertisseurs électroniques de puissance (CEP), est basée sur du courant continu.

L’objectif principal du projet DC-Architect est de concevoir des réseaux de distribution aptes à transporter l’énergie sous forme de courant continu, tout en conservant la distribution des infrastructures électriques existantes en courant alternatif. Cela permettrait de simplifier la chaîne de conversion, réduisant potentiellement les pertes et les coûts. 

Les recherches du projet portent sur la conception des architectures de tels réseaux de distribution, incluant le choix des niveaux de tension, ainsi que sur la conception des principaux convertisseurs électroniques de puissance. 

Vincent Debusschere, enseignant-chercheur, Grenoble INP UGA – Laboratoire de génie électrique de Grenoble

Nouvelle génération d’outils de prévision de demande d’énergie et de production d’énergie renouvelable à fine échelle spatiale et temporelle

L’objectif principal du projet Fine4Cast est d’améliorer la prévision à court terme (quelques minutes à quelques jours) de la production d’énergies renouvelables (EnR) et de la consommation à une échelle géographique fine (centrales de production, consommacteurs, territoires). L’amélioration des prévisions reste primordiale pour que plus d’EnR puissent être intégrées dans les systèmes électriques. L’émergence de nouveaux acteurs et cas d’usage se traduit par un besoin de nouveaux produits. Les prévisionnistes sont confrontés à de nouveaux défis en raison de la prolifération des sources de données, et des menaces et contraintes de confidentialité qui y sont liées.

Fine4Cast propose une approche holistique qui couvre toute la chaîne de valeur et de modélisation de la prévision énergétique, allant des données aux prévisions météorologiques et énergétiques, et incluant l’utilisation optimale des prévisions pour la prise de décision dans les systèmes électriques et le marché de l’énergie.

Georges Kariniotakis, enseignant-chercheur, Mines de Paris

Variabilité des énergies renouvelables et intermédiation avec les utilisateurs finaux

Le déploiement et l’intégration des énergies renouvelables dans le mix électrique constitue un enjeu majeur de la transition énergétique. L’équilibre entre l’apport et le soutirage dans chaque tronçon du réseau requiert des efforts substantiels. La production complémentaire pilotable, le stockage sous forme réversible et l’ajustement temporel de la demande constituent les trois voies de l’intégration massive de l’électricité renouvelable. En France, ces trois voies sont mobilisées en différents points du réseau sous l’impulsion de RTE (Réseau de Transport d’Electricité) via un marché de capacité, et également sous l’impulsion d’autres institutions ou collectifs, via des actions de médiation auprès des utilisateurs d’électricité.

FLEX-MEDIATION se focalise sur les actions de médiation – financières ou pas – menées par des organisations intermédiaires entre les producteurs d’électricité et les utilisateurs finaux dans l’objectif d’ajuster temporellement la demande d’électricité. L’analyse porte sur le cadre réglementaire et juridique qui régit le fonctionnement des parties prenantes et joue ainsi un rôle clé dans la mobilisation des consommateurs pour contribuer à la flexibilité.

Gilles Debizet, enseignant-chercheur, Université Grenoble Alpes – PACTE, Laboratoire de Sciences Sociales

Flexibilité pour les Technologies Avancées des Systèmes Energétiques

Face à l’intermittence des énergies renouvelables (soleil, vent …) ainsi qu’au risque de congestion ou d’insuffisance des moyens de production disponibles, la flexibilité, qui permet d’orchestrer un équilibre entre production et consommation, est un enjeu qui appelle des innovations techniques mais aussi sociales pour aller vers une implication/appropriation de tous les acteurs de la chaîne énergétique, des gestionnaires jusqu’aux consommateurs. Le projet FLEXTASE a ainsi pour objectif de développer une nouvelle approche paradigmatique d’ordre technique et sociale pour adresser deux types de flexibilité :

• La flexibilité indirecte (ou implicite) mobilisant les acteurs sur des solutions techniques et organisationnelles par le biais de l’envoi de signaux (tarifaires ou non),
• La flexibilité directe (ou explicite) passant par le pilotage de systèmes de production, de consommation, ou de stockage, dont la gestion est assurée directement par des algorithmes, des systèmes, et des acteurs (du type agrégateurs).

Frédéric Wurtz, chercheur CNRS, Laboratoire de génie électrique de Grenoble
Daniel Llerena, enseignant-chercheur, Laboratoire d'économie appliquée de Grenoble

Modélisation hybride pour les systèmes multi-énergie

Le projet HyMES vise à explorer les solutions de modélisation hybrides pour traiter de la complexité des systèmes et réseaux multi-énergie.  En effet, cette complexité se caractérise par : des dynamiques de temps différentes selon les vecteurs énergétiques, des non-linéarités dont le traitement classique limite la représentation réelle des phénomènes physiques, un accès limité à certains paramètres des systèmes (demande et production), une nécessité de prendre en compte certaines incertitudes de description des systèmes… La modélisation hybride s’entend comme la combinaison de modèles physiques et de modèles à base de données à plusieurs niveaux de modèles et selon différentes formes : modèles de données assistés par les modèles physiques, estimation de paramètres de modèles physiques par apprentissage, chaînage de modèles de natures différentes et cosimulation…

Bruno Lacarrière, enseignant-chercheur, IMT Atlantique – Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire

Architectures tandem innovantes

IOTA développe de nouvelles solutions à faible coût et à haut rendement pour des cellules solaires tandem.

Le projet se concentre sur les cellules solaires tandem en couches minces sur silicium afin de tirer parti de la technologie du silicium industriellement mature pour la cellule inférieure. Il explore plusieurs solutions pour la cellule supérieure en utilisant des matériaux déjà disponibles dans la communauté.

L’objectif est d’atteindre des rendements de conversion supérieurs à 30% avec des procédés industrialisables à faible coût, en proposant des solutions de rupture.

Des briques technologiques transversales sont développées (gestion de la lumière, dépôt de matériaux, couches d’interface, procédés d’intégration). Elles seront versatiles et compatibles avec différentes architectures de cellules et différents types de couches minces afin de tirer parti des derniers développements.

Stéphane Collin, chercheur CNRS, Centre de nanosciences et de nanotechnologies

Analyse du cycle de vie des technologies liées aux systèmes énergétiques avancés pour contribuer à la durabilité et à la souveraineté énergétique

LCA-TASE a pour ambition de fournir aux acteurs français de la transition énergétique des méthodologies avancées de l’analyse du cycle de vie (ACV) pour avoir des métriques fiables quant aux impacts environnementaux, sociaux et économiques des énergies renouvelables (ENR).

La méthodologie de l’ACV inclura les services écosystémiques et la biodiversité, de nouveaux indicateurs (circularité ou ressenti aux paysages), et des modélisations dynamiques et prospectives en tenant compte des enjeux spatiaux, temporels ou de mises à l’échelle des technologies ENR.

Le projet a une large envergure car il comprend aussi bien des technologies émergentes que d’autres plus matures, pour la production, le stockage et les usages de l’énergie. En particulier, des cas concrets d’intégration décentralisée au réseau dans les bâtiments et les véhicules électriques seront étudiés, y compris à l’échelle nationale. Enfin, il permettra aux décideurs locaux et nationaux d’obtenir une base de données pour l’ACV environnementale des systèmes énergétiques couvrant la chaîne d’approvisionnement des matières premières primaires et secondaires.

Guido Sonnemann, enseignant-chercheur, Université de Bordeaux - Institut des sciences moléculaires

Approche Multimodale : caractérisations In situ, Operando et ex siTu et simulAtions pour de noUvelles généRations de cEllules photovoltaïques fiables.

MINOTAURE adresse les problèmes de fiabilité et de durabilité des nouvelles technologies de cellules photovoltaïques, qui constituent un enjeu majeur pour leur industrialisation et leur pénétration sur le marché. Le projet réunit un ensemble de partenaires possédant des expertises complémentaires dans différents domaines de caractérisation et de modélisation et prévoit de déployer ces expertises dans une approche globale et multimodale pour appréhender les mécanismes de dégradation des cellules, les analyser et les comprendre, pour ensuite pouvoir les contourner ou les éliminer.

Jean-Paul Kleider, chercheur CNRS - laboratoire Génie électrique et électronique de Paris

Développement stratégique des réseaux électriques du futur

L’objectif principal de POWDEV est d’évaluer et d’optimiser la résilience des systèmes électriques dans le cadre d’une insertion massive d’énergies renouvelables, en considérant les événements extrêmes dans les climats actuels et futurs, ainsi que la complexité des réseaux et des scénarios socio-économiques. Les scénarios de changement climatique doivent être pris en compte dans l’analyse de la résilience car les événements extrêmes (sécheresse, tempêtes, orages) peuvent avoir de sérieux impacts.  Les défaillances en cascade doivent être analysées avec une intégration appropriée des sources d’énergies renouvelables et du changement climatique. La chaîne de valeur sociétale et économique doit aussi être prise en compte. La résilience sera optimisée par des décisions appropriées en matière d’exploitation et de conception du système électrique.

Anne Barros, enseignante-chercheuse, CentraleSupélec

Réductions astucieuses de l’impact environnemental de la mise en module photovoltaïque : interconnexion, encapsulation et intégration

Le projet Smart4Module explore plusieurs pistes susceptibles de réduire l’impact environnemental de l’industrie du photovoltaïque. Spécifiquement, l’effort est porté sur le développement de matériaux et procédés pouvant réduire l’utilisation des matériaux critiques utilisés et/ou faciliter leur recyclage. Par extension, la question de l’occupation des sols est également traitée via l’intégration à des surfaces déjà artificialisées. Ce projet apporte des contributions centrées sur la mise en module de diverses technologies de cellules. De ce fait, une attention particulière sera portée à la fiabilité et la durabilité des solutions proposées lorsqu’elles le permettront. Les sujets traités se répartissent selon les trois axes de fabrication des modules : interconnexion, encapsulation et intégration.

Romain Feilleux-Anginieur, Chef de laboratoire, CEA

Nouvel élan pour réduire voire substituer l’Indium et l’Argent lors du déploiement industriel durable de cellules solaires à haut rendement

SOLSTICE vise à fortement diminuer, voire supprimer, l’utilisation des matériaux critiques que sont l’indium et l’argent pour la production des cellules solaires à échelle industrielle. Les technologies photovoltaïques visées sont celles à base de silicium permettant d’obtenir de hauts rendements de conversion (hétérojonction de silicium, Topcon-like, Tandem Pérovskite/Silicium) tout en limitant les coûts de production.
Les matériaux de substitution développés durant ce projet ont été sélectionnés pour leur potentiel de propriétés opto-électriques mais également en fonction de leur abondance et de leur facilité d’accès. Les structures des cellules finales devront faire preuve de performances élevées et d’une soutenabilité accrue en ce qui concerne la provenance des matériaux.

Frédéric JAY, ingénieur chercheur, CEA-Liten / INES

Transformation numérique des réseaux d’énergies pour une meilleure résilience et flexibilité du système

Les infrastructures énergétiques, en particulier électriques, connaissent un bouleversement majeur dit révolution 4D pour Décarbonisation, Décentralisation, Digitalisation et Démocratisation. La croissance rapide de la part des énergies renouvelables dans la production d’électricité nécessite de trouver des solutions pour assurer à tout instant l’équilibre entre production et demande. La sécurisation des infrastructures est aussi un enjeu majeur. Les Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) qui contribuent depuis des décennies au fonctionnement optimal du réseau doivent évoluer pour des performances accrues, une plus grande facilité de déploiement et de mise à niveau, une forte résilience.

TASTING propose de nouvelles solutions technologiques, cyberphysiques ou numériques, fiables et sûres pour répondre à ces enjeux majeurs. Il aborde les grands défis liés à la modernisation et la sécurisation des systèmes électriques avec la dimension du continuum cloud/edge. Les défis scientifiques ciblés sont liés à l’infrastructure des TIC en tant que facilitateur clé et fournisseur de solutions face aux changements profonds auxquels nos infrastructures énergétiques seront confrontées dans les prochaines décennies.

Raphaël Caire, enseignant-chercheur, Grenoble INP - Laboratoire de génie électrique de Grenoble