Fonctionnement optimal des systèmes énergétiques multi-porteurs intégrant des énergies renouvelables et des systèmes de stockage d’hydrogène

Alimenter les villes avec de multiples sources d’énergie

À mesure que nous ajoutons davantage de panneaux solaires, d’éoliennes, de véhicules électriques et d’appareils intelligents dans nos villes, maintenir l’électricité et l’eau en continu devient un exercice d’équilibre complexe. Cet article explore une nouvelle façon d’exploiter les réseaux énergétiques locaux afin que l’électricité, la chaleur, la climatisation, l’eau et même l’hydrogène fonctionnent ensemble plutôt que d’être planifiés séparément. L’objectif est simple à comprendre : utiliser l’énergie propre de manière plus efficace, réduire les gaspillages et abaisser les coûts pour tous.

Des réseaux à sens unique aux hubs multi-énergie

Les systèmes électriques traditionnels acheminent principalement l’électricité dans une seule direction, des grandes centrales vers les consommateurs. Les auteurs se concentrent au contraire sur les « hubs énergétiques » — des systèmes à l’échelle de quartiers qui peuvent recevoir différents types d’énergie (électricité, gaz, etc.) et fournir ce dont les gens ont réellement besoin : courant pour les appareils, eau chaude et chauffage, climatisation et eau potable. Dans le modèle, trois hubs voisins partagent des énergies renouvelables locales issues de panneaux solaires et d’éoliennes, ainsi que des unités de cogénération à gaz produisant simultanément électricité et chaleur. Chaque hub gère un portefeuille d’équipements, comprenant des refroidisseurs électriques et à absorption pour la climatisation, des chaudières et des unités de stockage d’énergie pouvant conserver de l’électricité, de la chaleur ou du froid pour une utilisation ultérieure.

Relier l’eau, l’hydrogène et l’air au mix énergétique

Un aspect clé de ce travail est qu’il ne traite pas l’électricité de façon isolée. Les hubs gèrent également le « volet eau » et le « volet hydrogène » du système. L’eau potable peut provenir de nappes souterraines, d’une usine de dessalement qui transforme l’eau salée en eau douce, ou d’un réservoir de stockage d’eau. Comme le dessalement consomme beaucoup d’électricité, le modèle permet aux hubs de privilégier l’eau souterraine et d’optimiser le pompage selon les moments où l’électricité est moins chère. De plus, un électrolyseur convertit l’électricité renouvelable excédentaire en hydrogène, qui est stocké dans des réservoirs puis utilisé dans des piles à combustible pour produire de l’électricité pendant les heures de pointe coûteuses. Le stockage d’énergie par air comprimé ajoute un autre tampon : lorsque l’électricité est bon marché, l’air est comprimé et stocké ; lorsque l’électricité est chère, cette énergie stockée est restituée pour aider à satisfaire la demande.

Pourquoi la coopération l’emporte sur l’action isolée

La question centrale de l’étude est de savoir dans quelle mesure ces hubs performent mieux lorsqu’ils coopèrent plutôt que d’agir individuellement. Dans le cas « autonome », chaque hub tente d’équilibrer sa propre offre et sa propre demande avec un partage limité, ce qui laisse parfois une partie de la demande locale non satisfaite et oblige à des achats accrus auprès du réseau principal. Dans le cas « coopératif », les hubs sont autorisés à échanger de l’électricité et d’autres services énergétiques entre eux. Le surplus solaire ou l’énergie stockée d’un hub peut couvrir le déficit d’un autre. À l’aide d’une modélisation informatique détaillée et d’un emploi du temps journalier découpé en pas horaires, les auteurs montrent que la coopération réduit les coûts d’exploitation et élimine complètement l’énergie non fournie. Pour le système testé, le coût journalier total diminue d’environ 1,6 % et la quantité de demande non satisfaite passe de 64,3 kilowattheures à zéro.

Une bonne synchronisation et du stockage rendent les renouvelables plus utiles

L’étude examine aussi ce qui se passe quand les prix ou les tailles d’équipements évoluent. Quand les prix de l’électricité augmentent, les systèmes autonomes comme coopératifs paient davantage, mais la configuration coopérative reste toujours moins coûteuse car elle dépend moins des achats auprès du réseau principal. L’ajout de batteries et de stockage thermique, ou l’augmentation de leur capacité, réduit encore les coûts en décalant l’utilisation de l’énergie des heures bon marché vers les heures chères. Augmenter la capacité des sources renouvelables, comme le solaire et l’éolien, réduit les coûts d’exploitation dans les deux modes, avec des économies de plus de 13 % lorsque les renouvelables sont triplés. Une version stochastique, c’est‑à‑dire prenant en compte l’incertitude liée à la météo et aux prix, confirme la même tendance : le partage des ressources entre hubs réduit fortement à la fois les coûts et le risque que certaines demandes ne puissent pas être satisfaites.

Ce que cela signifie pour la vie quotidienne

Pour un public non spécialiste, le message est que les quartiers de demain ne seront peut‑être pas seulement connectés à un grand réseau électrique ; ils seront des mini‑systèmes qui échangent électricité, chaleur, eau et hydrogène entre eux. En coordonnant l’usage des puits, du dessalement, des batteries, des réservoirs d’hydrogène et du stockage par air comprimé, ces hubs locaux peuvent lisser les variations du soleil et du vent, réduire la dépendance aux combustibles fossiles et maintenir des factures plus faibles avec un service plus fiable. En termes simples, l’article montre que lorsque des technologies propres et variées sont planifiées ensemble et que des quartiers voisins coopèrent, les villes peuvent avancer vers un avenir bas carbone à la fois plus résilient et plus abordable.

Citation: Foroughian, S., Bijan, Z.A.J., Karimi, H. et al. Optimal operation of multi-carrier energy systems integrated with renewable energy sources and hydrogen storage systems. Sci Rep 16, 6635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35497-3

Mots-clés: systèmes multi-énergie, intégration des renouvelables, stockage d’hydrogène, hubs énergétiques, réponse à la demande