La recherche énergétique et environnementale au PSI

La recherche énergétique de l'institut Paul Scherrer se concentre sur la recherche de processus susceptibles d'être utilisés dans des technologies durables et sûres pour un approvisionnement en énergie si possible exempt d'émissions CO₂. Les points forts importants sont alors le développement de méthodes destinées à utiliser des énergies renouvelables, l'interconversion de différentes formes d'énergie à faible émission, ainsi que des travaux ciblés sur l'utilisation sûre de l'énergie nucléaire. Ces activités sont complétées par des analyses portant sur l'évaluation globale des systèmes énergétiques. De plus, le PSI fait de la recherche environnementale sur la composition chimique et les processus atmosphériques. Par ailleurs, le PSI dirige le Centre de compétence Énergie et mobilité du domaine des EPF.

Mise à disposition de vecteurs énergétiques durables

Les chercheurs du PSI travaillent sur une série de méthodes permettant de produire des carburants et des combustibles sans émissions de CO₂. L'une des méthodes consiste alors à générer des combustibles par des réactions chimiques en présence de rayons solaires hautement concentrés. Les chercheurs s'intéressent avant tout au développement de réacteurs solaires efficaces, dans lesquels des processus ont lieu dans les conditions extrêmes de radiation solaire concentrée. Ces processus permettraient alors la production indirecte d'hydrogène.

Une autre méthode permettant de produire des vecteurs énergétiques exempts d'émissions de CO₂ est l'utilisation de la biomasse - par exemple le bois, le purin ou les boues d'épuration. Les chercheurs du PSI développent des méthodes permettant de produire des combustibles à partir de la biomasse comme par exemple le gaz naturel synthétique, et travaillent à l'adaptation de ces méthodes à une utilisation à grande échelle. L'utilisation de la biomasse est neutre en CO₂, parce que le CO₂ généré lors de la combustion sera consommé par la biomasse lors de son renouvellement.

Exemple relatif au thème de la production de vecteurs énergétiques durables : du gaz naturel synthétique à partir du bois.

Conversion efficace des vecteurs énergétiques en énergie utile

L'efficacité globale es systèmes énergétiques peut être augmentée par l'utilisation d'accumulateurs, et ce surtout lorsque le système énergétique contient de grandes quantités d'énergies primaires durables, telles que le vent et le soleil, qui sont à tout moment disponibles tout moment. Le point fort du PSI est alors la caractérisation et le développement de matériaux, en particulier les accumulateurs lithium-ion. Ceux-ci joueront un rôle essentiel dans les futurs véhicules hybrides, électriques et ceux alimentés par piles à combustible. Le paramètre déterminant est la grande densité en énergie et puissance des ces accumulateurs.

La pile à combustible est un agrégat qui transforme l'hydrogène et l'oxygène en électricité et dont le seul “ déchet ” est la vapeur d'eau. Le grand avantage de ce procédé est son rendement élevé, c'est-à-dire que l'hydrogène peut être converti en électricité avec un rendement allant de 40 à 60%. Par rapport au moteur à combustion, cela représente un rendement en moyenne trois fois plus élevé, ce qui permet une consommation réduite par un facteur trois. La coopération pour le développement de la pile à combustible suisse conclu par le PSI avec l'entreprise Belenos Clean Power AG, prévoit le remplacement des carburants fossiles, voire essence et diesel, par de l'hydrogène produit par énergie solaire. Le produit final doit être une voiture alimentée par piles à combustible qui ne produit pas de CO₂.

Exemple relatif au thème des piles à combustible : convertir de l'hydrogène et de l'oxygène en électricité

Utilisation sûre de l'énergie nucléaire

Les travaux sur l'utilisation sûre de l'énergie nucléaire sont un élément important de la recherche énergétique au PSI. Améliorer les connaissances sur les processus se déroulant dans les centrales nucléaires existantes et futures, afin de contribuer ainsi à la sécurité de leur exploitation, représente l'un des points forts de la recherche. Dans ce but, les chercheurs du PSI examinent l'intégralité des processus lors du fonctionnement d'un réacteur, analysent en détail les processus au sein des barreaux de combustible, étudient les circuits de refroidissement à eau ou explorent les modifications des matériaux qui sont exposés pendant une longue période à de fortes doses de radiation dans les centrales nucléaires. Ces recherches se font d'une part dans le cadre d'expériences de grande envergure, et d'autre part de plus en plus par des simulations sur ordinateurs.

Exemple relatif à la recherche de matériaux fiables pour les réacteurs nucléaires

Élimination sûre des déchets radioactifs

Un autre aspect des recherches sur l'utilisation de l'énergie nucléaire au PSI est voué au stockage final en toute sécurité des déchets radioactifs. L'objectif des travaux effectués dans ce domaine est la question dans quelle mesure diverses formations géologiques conviennent à un stockage sûr et sur une echelle à longue durée des déchets radioactifs. Les chercheurs s'intéressent alors tant aux questions générales qu'à l'étude du contexte spécifiquement suisse.

Exemple relatif au stockage final en toute sécurité : étude du contexte spécifiquement suisse

Évaluation globale des systèmes énergétiques

Outre les recherches sur les différentes technologies énergétiques, les chercheurs du PSI se consacrent également à l'observation globale et à la comparaison des systèmes énergétiques nucléaires, fossiles et renouvelables: ainsi, ils analysent les structures et effets des systèmes énergétiques nationaux et internationaux pour mieux comprendre les rapports qui existent entre l'énergie, l'économie, l'environnement et la technique, ou étudient différentes options pour l'approvisionnement en énergie. Les indicateurs recueillis dans ce cadre – ce qui représente un aspect parmi tant d'autres – doivent en énergie, les gouvernements et les organisations non gouvernementales lors de la prise de décision, par exemple lorsqu'il s'agit de trouver le mix énergétique du futur. Les autres thèmes abordés sont les analyses de sécurité et l'étude des facteurs d'influence de l'intervention de l'homme dans le système énergétique.

Exemple relatif au thème des structures et des effets des systèmes énergétiques nationaux et internationaux : objectifs climatiques nationaux suisses

Effets de la consommation d'énergie sur l'atmosphère et le climat

Au PSI, la recherche environnementale porte essentiellement sur la composition atmosphérique et sur les processus qui déterminent cette composition. Dans ce but, les chercheurs étudient par exemple l'atmosphère au dessus des Alpes (sur le Jungfraujoch), et en particulier l'influence de l'homme sur la composition de l'atmosphère. Un autre exemple est celui des carottes de glace extraites dans diverses régions du globe et qui permettent de déterminer la composition de l'atmosphère dans le passé lointain – des informations qui permettent en partie de tirer des conclusions sur l'évolution du climat dans le passé. Un troisième point fort est la formation de poussières fines, dont la valeur seuil est souvent dépassée, et ce surtout pendant les mois d'hiver.

Exemple relatif à la recherche sur l'atmosphère au PSI : la mémoire climatique figée dans la glace