Comment l'ETH s'approvisionne en énergie

L'ETH Zurich consomme presque autant d'énergie qu'une petite ville suisse. Depuis 2013, l'énergie nécessaire au refroidissement et au chauffage provient du sol situé sous le campus de Hönggerberg. Plusieurs échangeurs de chaleur de forage stockent la chaleur perdue dans le sol en été et la restituent pour le chauffage en hiver. L'énergie est transportée par un réseau dit anergie, un réseau de distribution à basse température. En 2020, l'ETH Zurich a reçu le prix Watt d'Or de l'Office fédéral de l'énergie pour ce système. Pourquoi ce système a-t-il un sens pour une institution de recherche ?

Le Hönggerberg, près de Zurich, ressemble bientôt à un Emmental. Depuis quelques années, plus de 400 sondes géothermiques s'y enfoncent dans les profondeurs. Cela représente un total de 82 kilomètres de sonde pénétrant dans la montagne. Mais les montagnes creuses ne sont certainement pas rares en Suisse. Et dans ce cas, les puits de forage fournissent de l'énergie à une petite ville entière.

Conversion à l'autosuffisance écologique

Le campus de Hönggerberg est le plus grand site de l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH). Quelque 12 000 étudiants et employés y recherchent les innovations de demain dans plus de 30 bâtiments, consommant 77 gigawattheures d'énergie par an - autant que la ville de Soleure. En tant qu'institut de recherche de premier plan dans le domaine des énergies renouvelables, la direction de l'école a décidé il y a 20 ans de passer à l'autosuffisance écologique.

Comment fait-il ? Avec son propre réseau d'anergie. Le système de stockage dynamique au sol utilise le froid de l'hiver et la chaleur de l'été pour faire le pont avec les autres saisons respectives. Trois champs de sondes géothermiques stockent la chaleur et le froid dans le sol de manière naturelle et sans émission. Un système de tuyauterie relie les réservoirs de stockage aux centres d'énergie, qui régulent finalement l'approvisionnement des bâtiments.

Comment fonctionne le réseau anergie

Si une unité centrale a besoin de chaleur, celle-ci est fournie par un autre cluster* ou par une installation de stockage souterraine via le réseau. Si la chaleur perdue s'accumule dans un cluster et ne peut pas être utilisée directement dans les bâtiments connectés, elle est utilisée directement par d'autres clusters ou transférée vers le réservoir de stockage souterrain, selon le mode de fonctionnement, où elle est disponible pour une utilisation ultérieure.

Une unité centrale couvre les besoins en chauffage et en refroidissement de chacun des bâtiments connectés au moyen de pompes à chaleur et d'échangeurs de chaleur. Le mode de fonctionnement le plus efficace est le fonctionnement autonome, qui ne nécessite pas le réseau anergie et se produit principalement dans la période de transition. Le froid produit par les pompes à chaleur peut alors être utilisé directement dans le même centre de contrôle pour couvrir le froid de la climatisation ou pour pré-refroidir le froid du laboratoire. S'il y a un excédent ou un déficit de chaleur, le réseau anergie le compense.

Selon Wolfgang Seifert, responsable de l'énergie à l'ETH Zurich, la variante du réseau anergie fait chaque jour davantage ses preuves. Le principe d'exclusion a également joué un rôle dans la décision : "Lorsque le projet a été approuvé en 2006, trois variantes pour l'approvisionnement énergétique futur du campus étaient en débat. Les conditions sur le Hönggerberg, par exemple, auraient permis un forage pour l'énergie géothermique profonde. Mais quelques jours avant que la décision ne soit prise, la terre a tremblé à Bâle et des dégâts matériels ont été enregistrés - à cause des forages profonds. Nous avons donc décidé de ne pas retenir cette option. Il aurait également été possible de se connecter à un réseau de chauffage urbain existant. Dans ce cas, cependant, le système n'aurait pu se développer avec le campus que dans une mesure limitée. C'est pourquoi nous avons finalement opté pour notre propre réseau d'anergie"

L'anergie est efficace, mais elle nécessite une infrastructure adaptée

En principe, l'approvisionnement anergie évite de produire une nouvelle énergie et utilise plutôt l'approvisionnement existant dans les environs. Cela permet de réduire les émissions, mais nécessite également une infrastructure adaptée. En d'autres termes, des bâtiments à haut rendement énergétique qui peuvent être chauffés avec des températures de départ basses (32°C).

La connexion des bâtiments existants au réseau anergie est donc un défi. Wolfgang Seifert explique : "L'extension du réseau anergie et le raccordement de bâtiments supplémentaires vont de pair avec l'expansion et la rénovation continues du campus. Ce faisant, nous sommes dépendants de la substance existante. Par exemple, nous avons plusieurs bâtiments classés de l'architecte renommé Rudolf Steiner qui caractérisent l'image du campus. Les rénover de manière à ce qu'ils puissent être raccordés au réseau énergétique est une tâche complexe. La tour de physique (bâtiment HPP) a été rénovée de 2006 à 2011 et est désormais alimentée en anergie. Les autres bâtiments suivront dans les prochaines années."

L'institution de recherche est prédestinée à Anergie

La substance n'est qu'un facteur, c'est pourquoi la valeur cible de la couverture par le réseau Anergie est de 90 et non de 100 %. Le campus de Hönggerberg est un creuset de sciences naturelles et de recherche fondamentale - un tiers des locaux sont des laboratoires. Par conséquent, la composition de la demande énergétique est unique. Or, selon Wolfgang Seifert, cette circonstance plaide d'autant plus en faveur d'un réseau d'anergie :

"Comparé à un lotissement ou à un complexe de bureaux, le campus de l'ETH Zurich a un besoin de refroidissement surdimensionné. Pour nous, le refroidissement ne se limite pas à maintenir les salles de classe à une température agréable de 22 degrés en été. D'innombrables salles de serveurs, laboratoires et autres installations de recherche doivent être refroidis toute l'année. La demande d'électricité est également éloquente : environ 55 gigawattheures d'électricité transitent par nos lignes chaque année. Et là où l'électricité circule, le refroidissement est nécessaire. Mais c'est un avantage pour le réseau anergie. Si les besoins en refroidissement et en chauffage sont à peu près équilibrés, le système est le plus efficace. Dans les immeubles résidentiels ou de bureaux classiques, la demande de chaleur est nettement supérieure à celle de froid.

Avec le cerveau, le cœur et l'âme, pour une efficacité maximale

La plus grande efficacité possible du système est une priorité. La surveillance automatisée mesure en permanence l'activité et l'efficacité du réseau. L'expérience acquise pendant le fonctionnement est enregistrée et utilisée pour optimiser le système. Un groupe de suivi composé de sept personnes travaille sur ce processus depuis 2012. L'équipe est en mesure de connecter ou de déconnecter les unités de stockage, de rectifier les problèmes de pression et autres défaillances. Ce succès est confirmé, entre autres, par le rendement élevé des pompes à chaleur, qui est de 8 COP (Coefficient de Performance). Cela signifie qu'un kilowattheure d'électricité produit huit kilowattheures de chaleur. En 2020, le projet a remporté le prix Watt d'Or de l'Office fédéral de l'énergie.

Wolfgang Seifert : "L'équipe de surveillance a largement contribué à ce succès. Les experts des différents domaines spécialisés travaillent ici avec beaucoup de soin et font preuve de cohérence et de créativité dans la recherche de solutions. Je remarque cela dans tout le personnel. Je suis toujours étonné de la passion et de l'engagement avec lesquels les employés de tous les domaines et de tous les niveaux hiérarchiques travaillent à la poursuite du développement du réseau énergétique. C'est un facteur clé qui explique pourquoi nous faisons de si bons progrès et travaillons avec confiance vers nos objectifs pour 2040"

_CAMPUS

• _{12 000 étudiants}
  
• _{30 bâtiments}
• _{77 gigawattheures de demande énergétique par an}
• 22 gigawattheures de demande d'énergie de chauffage par an

_{Le réseau énergétique aujourd'hui}

• _{3 champs de sondes géothermiques (3 autres en projet)}
• _{431 sondes géothermiques (200 mètres de profondeur)}
• _{5 centres énergétiques (1 de plus en projet)}
• _{14 bâtiments connectés (2019)}
  
• _{couvre 81 % de la chaleur utile et 78 % du froid utile des bâtiments raccordés aujourd'hui (2018)}

_Cibles

• _{Couverture de 90 % (zone entière)}
  
• _{Raccordement de tous les bâtiments au réseau énergétique}
• _{Réduction du CO2 de 80% = 8000 tonnes par an d'ici 2040 (année de référence 2006)}

Laura Scheiderer, Polarstern