Peut-on se contenter d'énergies renouvelables ? L'énergie du soleil peut-elle, le vent et l'eau couvrent nos besoins en électricité - même sans vent, jour couvert en Scandinavie? Peut-être, mais il fait de nouvelles exigences.

Les pays nordiques pourraient satisfaire leurs besoins énergétiques simplement en développant les énergies renouvelables, selon une étude de l'Université d'Uppsala. Mais il y a plusieurs défis en cours de route, selon Mikael Bergkvist, chercheur en électricité.

"Dans l'étude, nous avons pu montrer que ce n'est évidemment pas impossible même si ce serait difficile dans un avenir proche."

La difficulté de la production d'électricité est qu'elle se fait en temps réel – l'électricité dont on a besoin en ce moment doit être produite dès maintenant. À la fois, notre consommation d'électricité varie à chaque heure de la journée tout au long de l'année. Plus nous sommes dépendants de sources intermittentes, comme l'énergie éolienne, plus les exigences sont élevées sur la puissance de régulation de l'équilibre flexible.

"En Suède, nous avons de la chance car nous avons beaucoup d'hydroélectricité qui peut être utilisée pour réguler rapidement la variation mais, grâce aux grands réservoirs hydroélectriques, peuvent également être stockés à des moments où nous avons une forte production d'énergie éolienne et une faible demande d'électricité. Mais cela demande beaucoup de planification. Dans le système actuel, nous avons de bonnes possibilités d'équilibrer les variations quotidiennes et saisonnières, mais c'est plus difficile par exemple en cas de quelques semaines sans vent, " dit Bergkvist.

En Suède, nous tirons autant d'énergie du nucléaire (40 à 45 %) que de l'hydroélectricité. Viennent ensuite l'énergie éolienne à 10-14 pour cent. Dernièrement, nous avons des centrales de cogénération, l'énergie à condensation et les turbines à gaz qui fournissent ensemble environ 10 pour cent.

L'énergie solaire est plus rare sous nos latitudes, mais beaucoup de recherche et développement est en cours. Un exemple est le bâtiment résidentiel Frodeparken à Uppsala, où toute la façade vitrée produit de l'électricité. Le bâtiment est recouvert de cellules solaires à couche mince qui ont été développées à partir de recherches menées à l'Université d'Uppsala.

Un projet international de l'UE sur la technologie des cellules solaires pouvant être intégrées dans les bâtiments est mené depuis Uppsala. Marika Edoff, Professeur d'électronique à l'état solide, est le coordinateur du projet. L'accent est mis sur les cellules solaires à couche mince et sur la façon dont elles peuvent être rendues plus efficaces et intégrées dans les bâtiments.

"L'intégration des bâtiments offre des opportunités uniques pour les cellules solaires à couche mince, principalement pour avoir un aspect esthétiquement différent. Avec des films minces, il est également possible de rendre les cellules solaires flexibles et légères, " dit Edoff.

La technologie dominante sur le marché est celle des cellules solaires au silicium. Les cellules solaires à couche mince sont basées sur une technologie différente et sont constituées de films microscopiquement minces montés sur du verre, par exemple. Les modules peuvent être transformés en blocs de construction entièrement noirs, comme la façade de Frodeparken.

Le défi pour les chercheurs est d'amincir le matériau sans réduire l'efficacité ou l'efficience, qui est actuellement de 21 pour cent. Pour réussir cela, diverses techniques optiques sont utilisées, comme la construction de miroirs dans les couches minces afin que deux fois plus de lumière soit absorbée.

« Il peut sembler ridicule de rendre les couches encore plus fines puisque leur épaisseur totale est d'environ trois micromètres, c'est ce que l'on obtient en coupant un cheveu en 20 tranches. Mais nous voulons pousser cela plus loin, réduire l'utilisation de matière et rendre les couches absorbant la lumière d'un demi-micromètre d'épaisseur au lieu de deux, " dit Edoff.

Internationalement, l'énergie solaire a fait une percée majeure ces dernières années et même si elle est lente en Suède, le marché est en croissance, avec divers programmes d'aide à l'installation de cellules solaires dans les bâtiments.

"Grâce au projet de l'UE, nous pouvons rassembler des compétences et une expertise et espérer également accroître la visibilité des cellules solaires et faire pression pour développer des solutions à long terme en Suède, " dit Edoff.

Elle a été personnellement impliquée dans la fondation de l'entreprise de cellules solaires Solibro et a travaillé pendant de nombreuses années à la fois en tant que chercheur et dans l'entreprise. Lorsqu'elle a commencé avec les cellules solaires à couche mince en 1990, les cellules solaires avaient un rendement de 10 pour cent. Maintenant, ils ont atteint 21 pour cent, pas loin du record du monde de 22,6 pour cent.

Elle attribue le succès à l'étroite coopération entre les entreprises et les universités.

« Divers projets de l'UE ont été cruciaux pour la technologie à venir jusqu'à présent, en bénéficiant de la coopération entre les entreprises et les groupes de recherche. Cela a été super important."

Un autre projet de l'UE, le New Wind Atlas (NEWA), concerne l'éolien et a cartographié les ressources éoliennes dans toute l'Europe. Stefan Ivanell est le chef de projet pour la partie suédoise du projet.

Il dirige les recherches à la section de l'énergie éolienne sur le campus Gotland, qui appartient au Département des sciences de la Terre de l'Université d'Uppsala. Alors que leurs collègues chercheurs d'Uppsala créent des modèles météorologiques à grande échelle, les chercheurs de Visby travaillent avec des modèles qui montrent le flux détaillé dans un parc éolien.

Si ces deux types de modèles sont liés entre eux, des calculs à plus grande échelle peuvent être effectués pour voir où il est préférable de construire un parc éolien.

"Quand on étudie l'interaction entre les parcs éoliens, les calculs prennent plusieurs jours ou semaines avec un super ordinateur, ce sont donc des calculs assez lourds. C'est pourquoi il faut les compléter par des méthodes de calcul plus grossières, " dit Ivanell.

Au sein du projet, ils étudient par exemple le flux du vent dans les forêts et les possibilités d'y développer l'énergie éolienne. Les chercheurs s'intéressent à l'emplacement des centrales éoliennes et à la manière dont les turbines - ainsi que les parcs éoliens entiers - interagissent les unes avec les autres. Pour comprendre cela, ils font des simulations qui montrent comment le placement affecte le type d'écoulement dans lequel se trouve la turbine et l'importance de la turbulence.

"Nous développons des modèles pour extraire l'énergie de manière plus intelligente tout en réduisant les charges sur les turbines pour qu'elles durent plus longtemps, " dit Ivanell.

L'énergie éolienne est la troisième forme de production d'électricité en Suède, mais son expansion s'est arrêtée.

"Malgré les bas prix de l'énergie en Suède, l'éolien attire actuellement des investissements records. Pour tous ceux qui envisagent de nouvelles installations de production d'énergie, l'éolien est très compétitif, " dit Ivanell, qui est également le directeur de STandUP for Wind, un centre national de l'énergie éolienne auquel participent plusieurs universités suédoises.

Un projet de recherche a récemment débuté à l'Université d'Uppsala dans lequel les chercheurs découvriront comment Gotland pourrait devenir autosuffisant en énergie renouvelable, comme l'énergie solaire, l'énergie éolienne et les biocarburants. Une vingtaine de chercheurs sont impliqués dans le projet au sein des départements des Sciences de la Terre, Sciences de l'ingénieur et chimie.

Un problème important est l'acceptation par la population locale, parce qu'une société au vent élargi, l'hydroélectricité et l'énergie solaire seraient très différentes.

"Aujourd'hui, 50 pour cent de l'énergie de Gotland provient de l'énergie éolienne. Pour devenir entièrement autonome, cela doit être mis à l'échelle sur terre, en mer et dans les parcs de cellules solaires, " dit Ivanell. " En ce moment, nous essayons de modéliser des scénarios envisageables pour l'avenir. Si nous construisons de certaines manières, comment cela affectera-t-il l'acceptation? Quels sont les avantages et les inconvénients des différentes solutions ? Des lignes aériennes et des câbles électriques seraient nécessaires pour la distribution, mais comment seraient-ils perçus par le public ?"

Étudier Gotland en tant que système renouvelable est approprié car il est bien défini, selon Ivanell. En coopération avec la région, diverses possibilités sont actuellement à l'étude, comme le transport avec des véhicules électriques et comment l'énergie peut être stockée dans des batteries ou sous forme de gaz.

« Il s'agit de savoir quelles sont les ressources renouvelables, mais il s'agit également d'équilibrer cela avec une connexion câblée limitée avec le continent. Nous avons besoin d'un système capable de stocker de l'énergie et dans lequel ce que nous mettons dans le système correspond toujours à la consommation."

Pour revenir à l'étude de l'approvisionnement énergétique de l'ensemble de la région nordique, cela montre que l'hydroélectricité joue un rôle clé. En stockant l'hydroélectricité, il est possible d'obtenir un approvisionnement régulier en électricité malgré les variations de production.

"Certaines personnes craignent que les énergies renouvelables ne nous donnent un réseau électrique instable et que nous ne soyons pas en mesure de gérer la situation, mais en Suède, nous le pouvons. Notre hydroélectricité est une énorme ressource pour le stockage de l'énergie, par rapport au stockage sur batterie, qui n'a pas la même capacité et est avant tout une solution locale, " dit Mikael Bergkvist.

Un autre problème à résoudre est de savoir comment fournir de l'énergie renouvelable à toute la région nordique. Avec le système de distribution d'aujourd'hui, il serait difficile de fournir de l'énergie partout avec uniquement de l'électricité renouvelable. En Suède, par exemple, nous avons beaucoup de production dans le nord, mais la plupart de la consommation dans le sud.

"Nos calculs n'ont pas pris en compte les limitations du réseau électrique. Là, c'est juste une question d'expansion, mais cela coûtera bien sûr très cher et le processus d'autorisation pour une nouvelle ligne peut prendre des décennies."

Dans leur étude, les chercheurs notent également qu'il est important de trouver le bon mélange de sources renouvelables.

« Cela s'améliore si nous optimisons le mix de puissance des vagues, l'énergie éolienne et l'énergie solaire, mais c'est difficile à contrôler puisque nous vivons dans une démocratie avec la libre entreprise, " observe Bergkvist.

Il y aura donc toujours une flore de diverses solutions énergétiques qui, ensemble, rendent difficile – mais pas impossible – le passage aux énergies renouvelables dans la région nordique.