Pour répondre aux enjeux écologiques, il est essentiel de poursuivre les développements sur l’énergie nucléaire de fission et de fusion. Il faut également satisfaire les besoins de décarbonations, qui concernent l’industrie, ainsi que d’autres secteurs tels que les transports et l’agriculture. Cela passe par le captage, le stockage et la valorisation du CO2, le déploiement des énergies renouvelables et permettre le stockage des énergies à différentes échelles.
Dans le cas du nucléaire, l’enjeu est en particulier de qualifier les matériaux et combustibles dans l’optique d’une prolongation de la durée de vie des réacteurs de puissance actuels, mais aussi d’un soutien par la recherche au développement de nouvelles générations de systèmes nucléaires, par exemple dans leur configuration SMR (Small Modular Reactors). La fusion nucléaire, voie prometteuse pour l’instant à un niveau de maturité très bas, nécessite encore de son côté l’acquisition de connaissances scientifiques de base, des développements technologiques et des démonstrations de faisabilité à grande échelle.
Les infrastructures de recherche du domaine de l'énergie
Les IR qui figurent sur la feuille de route nationale ont comme objectif de soutenir et d'accompagner les développements pour l’amélioration de la production d’énergies renouvelables et pour la réduction de l’impact de la production d’énergie et de l’activité humaine sur l’environnement (qualité de l’air, gaz à effet de serre et production de déchets).
Deux bénéfices majeurs :
- La mutualisation des moyens pour développer de nouveaux concepts et innovations.
- L'accès privilégié, pour les communautés scientifiques françaises, à d’autres outils de recherche hors territoire national.
Solaire thermique à concentration
L’IR FR-Solaris couvre le domaine du solaire à concentration. Son objectif est de développer cette forme d'énergie solaire thermique. Elle consiste à concentrer la lumière du soleil à l'aide de miroirs ou d'autres éléments en un point précis pour obtenir des températures élevées et pouvoir utiliser cette chaleur soit directement soit pour la production d'électricité. Cette technologie offre un avantage significatif en termes de gestion de l’énergie car elle peut être stockée sous forme de chaleur. FR-Solaris est portée par le laboratoire PROMES du CNRS-INSIS à Odeillo-Font-Romeu, réputé comme étant la station la plus ensoleillée de France.
FR-Solaris est le nœud français de l’IR distribuée européenne EU-Solaris, qui a comme objectif de développer des innovations technologiques dans des sujets variés comme l’instrumentation, les récepteurs solaires, les matériaux et les systèmes de conversion et de stockage de l'énergie solaire thermique. Le solaire thermique à concentration nécessite des besoins expérimentaux de grande ampleur, tels que les centrales solaires thermiques qui occupent des grandes surfaces foncières.
Un grand défi de EU-Solaris est le développement d’applications à grandes échelles du solaire à concentration, car pour le moment il est cantonné à l’usage domestique.
Énergies marines
L’essor de la filière des Énergies Marines Renouvelables (EMR) comprend l’ensemble des technologies permettant de produire de l’électricité à partir de différentes forces ou ressources du milieu marin : la houle, les courants, les marées, le gradient de température entre les eaux de surface chaudes et les eaux froides en profondeur. L'accroissement de la demande en instrumentation océanographique, et plus généralement les enjeux liés à l’ensemble des besoins du secteur naval et de l’éolien flottant (off-shore), posent le défi de développer des équipements scientifiques performants.
L’IR THeoREM (Réseau de Moyens d’Essais en Hydrodynamique pour les Énergies Marines Renouvelables) a pour objectif d’accompagner les projets de R&D&I des secteurs du génie océanique et de l’ingénierie marine et en particulier le secteur industriel des EMR. THeoREM regroupe les moyens d’essai de l’Ifremer, de l’École Centrale Nantes et de l’Université Gustave. Eiffel. La poursuite et le renforcement de moyens pour accompagner le développement de l’éolien off-shore sont essentiels car de nombreux verrous existent et la demande est croissante. Cette problématique est d’ailleurs la finalité du projet d’IR européenne Marinerg-i (Marine Renewable Energy Research Infrastructure), inscrite dans la feuille de route de l’ESFRI pour la première fois dans l’édition 2021.
Captage, transport, stockage géologique et valorisation du CO2
Pour les émissions industrielles résiduelles, la capture, le transport et le stockage du CO2 sont les solutions à court et moyen terme pour réduire significativement les rejets de gaz à effet de serre, sans oublier la réutilisation et la valorisation du CO2.
L’IR européenne ECCSEL (European Research Infrastructure for CO2 Capture, Utilisation, Transport and Storage ), pilotée par la Norvège et qui a un statut d’ERIC, offre avec le nœud français ECCSEL-FR, animé par le BRGM, des moyens variés qui correspondent en partie à l’ensemble des besoins des acteurs. ECCSEL-FR s’appuie sur six grands organismes (BRGM, IFPEN, ANDRA, INERIS, CNRS, ARMINES) et trois industriels (EDF, Total Énergies, Lafarge Ciments) ce qui donne au nœud français un poids significatif dans ECCSEL. Il est important de signaler qu’ECCSEL a étendu récemment son périmètre au stockage sub-surface de l’énergie, notamment l’hydrogène.
Biomasse et biotechnologies
L’objectif global de l’IR IBISBA-FR (Industrial Biotechnology Innovation and Synthetic Biology Acceleration) est de réunir, au sein d’une coopération inter-organismes, un ensemble de plateformes de recherche produisant des services à la recherche et à l’innovation dans les domaines des biotechnologies, et en particulier des biotechnologies industrielles et environnementales. Cette coopération contribue à l’affirmation de la puissance française dans le domaine des biotechnologies, car la France est la deuxième force de l'Union Européenne dans le domaine.
Elle participe au PEPR B-Best – pour Biomasse, biotechnologies, technologies pour la chimie verte et les énergies renouvelables – du plan France 2030, qui a comme objectif de construire les innovations techniques, organisationnelles et sociales qui permettront de comprendre et d’actionner les leviers d’une transformation efficace de la biomasse pour obtenir des produits biosourcés et des carburants durables.
IBISBA-FR est le nœud français d’IBISBA-EU, un projet d’IR inscrit dans la feuille de route de l’ESFRI depuis 2018.
Les Infrastructures de recherche pour le développement de l’énergie nucléaire
Matériaux et combustibles pour la fission
En ce qui concerne l’énergie nucléaire de fission, le réacteur de recherche Jules Horowitz (RJH) répondra à un défi essentiel : tester le comportement des matériaux et des combustibles lorsqu’ils sont exposés à de très fortes sollicitations (forts flux de neutrons) et produire des radio-isotopes pour des applications médicales et industrielles.
En construction sur le site de Cadarache dans les Bouches-du-Rhône et ouvert à la collaboration internationale comme témoigne son inscription dans la feuille de route de l’ESFRI, le RJH sera doté d’une grande capacité de dispositifs d’irradiations technologiques répondant à un large spectre de besoins expérimentaux, à l’intérieur comme à l’extérieur du cœur du réacteur. Il s’agira donc d’un outil essentiel pour qualifier les matériaux et combustibles pour un usage industriel, dans les réacteurs de puissance actuels et aussi pour la nouvelle génération de réacteurs, dont les SMR. Le RJH contribuera pleinement à l’émergence d’une filière française des SMR, qui est une des grandes priorités de France 2030.
L'avenir de la production d'énergie nucléaire passe également par l'amélioration des performances des systèmes et des scénarios. De nombreuses études sont en cours pour optimiser le fonctionnement des réacteurs de la génération actuelle associés au cycle de leurs combustibles ou pour développer de nouveaux concepts de systèmes nucléaires (réacteurs + cycle). Parmi celles-ci, l'amélioration des bases de données nucléaires utilisées pour la simulation de ces systèmes nucléaires est un domaine de recherche impliquant la physique nucléaire expérimentale, la description théorique des réactions nucléaires, la structure des noyaux et l'évaluation des données nucléaires, essentielles pour les codes de simulation. En France, le GANIL-SPIRAL2, Grand accélérateur National d’Ions Lourds situé à Caen, contribue à la mesure de ces données qui participeront à rendre l'énergie nucléaire encore plus sûre et respectueuse de l'environnement. Ces données seront utiles en particulier pour les réacteurs de fission de nouvelle génération et la transmutation des déchets nucléaires.
L’étude des effets de l’irradiation dans les solides est également essentielle dans le domaine du nucléaire. L’IR EMIR&A, portée par le CNRS, dispose pour cela d’outils uniques pour, par exemple, créer des dommages contrôlés et comprendre l’évolution de la microstructure et des propriétés des matériaux sous irradiation. Le réseau EMIR&A regroupe 15 accélérateurs d’ions et d’électrons couplés à des instruments in situ aux performances uniques, installés sur 11 plateformes, répartis sur 6 sites (Caen, Orléans, Orsay, Palaiseau, Paris, Saclay). En termes d’outils d’analyse, on peut également citer la ligne de lumière MARS (Multi Analyses on Radioactive Samples) du synchrotron SOLEIL, qui est la première ligne de lumière au monde adaptée à la réception de matériaux irradiants massifs. Elle a pour objectif d’accroître les possibilités de recherche en biologie, chimie et physique sur la matière radioactive (émetteurs a, ß, γ et neutrons) à partir du rayonnement synchrotron en accord avec les règles de sûreté nationales et européennes. Jusqu’à présent, les équipements existants de par le monde ne permettent d’étudier que quelques grains de poudre.
Fusion
La fusion est la réaction nucléaire qui alimente le Soleil et les étoiles : des noyaux atomiques fusionnent et les quantités d’énergie libérée sont très importantes, ce qui pousse les scientifiques à maîtriser ce processus sur terre pour en faire une nouvelle source d’énergie durable.
La fusion nucléaire par confinement magnétique est une voie prometteuse pour une production d’énergie massive, continue, durable, bas carbone, sûre et sans émissions de gaz à effet de serre. Cependant, son niveau de maturité est encore très bas, nécessitant des développements technologiques et des démonstrations de faisabilité à grande échelle. Le projet international ITER concentre l’effort mondial pour développer une machine expérimentale visant à démontrer la faisabilité scientifique et technologique d’un réacteur nucléaire utilisant le principe de la fusion pour produire de l’énergie, à une échelle représentative d’une future centrale de fusion électrogène. Il est actuellement en construction à Cadarache en France. ITER Organisation associe 7 membres : l’Union européenne (dont l’action est coordonnée par l’agence Fusion for Energy F4E) ainsi que la Chine, la Corée du Sud, les États-Unis, l’Inde, le Japon et la Russie.
Le CEA accompagne le projet ITER depuis son lancement et s’est adapté, au fil des années, afin de répondre aux grands défis technologiques et scientifiques du projet en se dotant d’outils et de bancs de tests spécifiques. La plus importante plateforme de recherche est le tokamak supraconducteur WEST - W(Tungsten) Environment for Steady-state Tokamaks au CEA Cadarache. Il permet de tester le divertor en tungstène, l’un des composants clés d’ITER qui servira à extraire la chaleur produite par fusion, ainsi que d’autres constituants de l’installation et approches utiles à son exploitation.
Enfin, la fusion par confinement inertiel (FCI) est une voie alternative pour arriver au développement de l’énergie de fusion. Dans la FCI, on éclaire, avec de multiples faisceaux laser, une sphère contenant des atomes de Deutérium et du Tritium (DT, isotopes de l’hydrogène) afin de la comprimer et la porter aux conditions de température et densité nécessaires à l’initiation des réactions de fusion. L’installation LMJ-PETAL (Laser Megajoule-PETwatt Aquitaine Laser) pourrait permettre d’aborder ce genre d’expériences avec la précision requise.
Le rôle des infrastructures de recherche analytiques dans l’étude sur les batteries, piles à combustible (hydrogène bas carbone) et les matériaux avancés
Les IR du domaine des sciences de la matière et ingénierie, aussi appelées IR analytiques, sont par essence multidisciplinaires et proposent à des communautés scientifiques très diverses un large éventail de techniques expérimentales. On peut en particulier citer les sources de lumière (ESRF, European XFEL, SOLEIL) et de neutrons (ESS, ILL). D’autre réseaux de plateformes d’analyse sont également utilisés, comme l’IR METSA pour la microscopie électronique bi- et tri-dimensionnelle de haute résolution, permettant d'observer la distribution spatiale des atomes dans un matériau en en connaissant la nature chimique, ou encore l’IR Infranalytics pour les équipements analytiques à très haut champ magnétique.
Ces IR analytiques, de par leur instrumentation à l’état de l’art et leur approche multidisciplinaire, sont des piliers essentiels pour relever les nombreux défis du plan France 2030 dans de nombreux domaines. Dans le domaine de l’énergie, elles sont particulièrement utiles pour les deux PEPR adossés aux stratégies nationales d’accélération « H2 - Hydrogène décarboné » et « Batteries » ainsi que pour le PEPR exploratoire DIADEM sur les matériaux innovants et leur éco-conception, qui présente un volet « matériaux pour l’énergie ».
Études sur les batteries
Toute amélioration des performances des batteries passe par une meilleure compréhension du fonctionnement général de ses différents éléments : électrodes, électrolytes et interfaces.
La complexité des systèmes électrochimiques et la variété des paramètres à étudier nécessitent l’utilisation simultanée, ou coordonnée dans le temps, de différentes sondes (neutrons/rayons X), et techniques expérimentales (diffraction, imagerie ou spectroscopie). La diffraction des rayons X (DRX) et la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) ont été employées pour leur efficacité dans la caractérisation de la structure atomique et électronique de la matière. En raison du flux de photons très élevé délivré par les sources de rayonnement synchrotron et le développement technique récent de nouvelles lignes de lumière, plusieurs montages expérimentaux ont pu été utilisés afin de combiner une variété de modalités et environnements échantillon (post-mortem, operando, conditions contrôlées).
Sur le synchrotron SOLEIL, ces recherches sont possibles par l’utilisation combinée des lignes SAMBA, ODE, LUCIA, CRISTAL et ROCK.
Le 24 novembre 2021, l'ESRF, l'ILL, et le CEA ont signé un protocole d'accord pour créer un pôle de recherche sur le stockage durable de l'énergie électrique, le "Grenoble Battery Hub", basé sur l'utilisation de techniques et d'instruments de pointe dans le domaine des neutrons et des rayons X. Ce partenariat, premier de ce type en Europe, a pour but d'accélérer la recherche et l'innovation afin que la prochaine génération de batteries soit plus efficace, plus sûre, moins chère et plus durable.
Trois thématiques scientifiques correspondant à des défis majeurs dans la R&D de batteries ont été identifiées dans le cadre du Hub Batteries :
- vieillissement, du volume vers la surface ;
- batteries à haute densité d’énergie : interface Li-métal ;
- contrôle de la batterie et capteurs.
Le Grenoble Battery Hub est lié aux initiatives européennes "BIGMAP", cofinancée par le programme H2020 de l'Union européenne, et BATTERY 2030+. La prochaine étape pour le Grenoble Battery Hub est de s'ouvrir à la communauté européenne de R&D sur les batteries pour faire avancer la recherche en faveur du Green Deal européen, et du plan d'action européen sur les batteries.
Les études sur les piles à combustibles
Une pile à combustible (PAC) est un générateur énergétique. Appliqué au domaine de la mobilité, elle permet de transformer l’hydrogène en électricité pour alimenter une voiture, un bus ou un camion. Les PAC présentent de nombreux avantages. En premier lieu, elles ne dégagent aucune émission locale (hormis de l’eau), ce qui constitue un atout de taille pour la qualité de l’air, notamment dans les centres urbains.
L’impact de l’eau sur le comportement des matériaux et sur la performance et la dégradation des piles à combustible à membranes échangeuses de protons (PEMFC) est un sujet d’étude de grande importance. Les neutrons sont sensibles aux éléments légers, dont l’hydrogène et par conséquent un outil de choix pour étudier la dynamique l’eau (H2O) au sein des piles. La diffusion de neutrons à l’ILL présente un fort intérêt à la fois à une échelle très locale mais aussi pour sonder les surfaces actives qui peuvent faire plusieurs centaines de centimètres.
Dans le même temps, il est possible d’analyser la réparation en eau par imagerie directement sur des empilements de plusieurs centaines de centimètres carrés et de quelques cellules.
Concernant les piles à combustible à oxydes solides (SOFC) et électrolyseurs haute température (EHT) à base de céramiques, l’activité se concentre sur la structure des électrodes et leur dégradation en fonctionnement par tomographie des rayons X à l'ESRF. Cette technique permet de reconstruire le volume d’un objet à partir d’une série de mesures effectuées depuis l’extérieur de cet objet.
Le PEPR DIADEM sur l’éco-conception des matériaux avancés
Le PEPR exploratoire DIADEM vise à accélérer la conception et l’arrivée sur le marché de matériaux plus performants et plus durables, s’inscrivant naturellement dans les axes stratégiques de développement économique de la France. Les matériaux répondent à une démarche de développement durable en prenant en compte, dès leur conception, leur recyclage mais aussi en économisant de la matière et de l’énergie.
Dans le domaine des énergies décarbonées, les études de matériaux se focalisent principalement sur des fonctionnalités (recherche de nouveaux matériaux pour batterie, conducteurs ioniques pour les piles à combustible, etc.) de façon à récupérer, stocker et générer d’avantage d’énergie.
Le PEPR DIADEM s’appuie sur des plateformes et infrastructures de recherche qui doivent permettre de faire passer le cycle d’identification de matériaux de 20 ans à entre 4 et 10 ans.
Dans ce cadre, le PEPR DIADEM participe à l'amélioration des instruments (diffraction/ diffusion et spectroscopie) des IR* SOLEIL et ESRF, en combinant de façon intégrée des technologies de synthèse/criblage et caractérisation à haut débit, complétés par l’utilisation de l’intelligence artificielle, la modélisation, et la simulation numérique. De plus, des nouveaux modes d'accès seront mis en place pour garantir un accès périodique aux utilisateurs du consortium, à l’image du programme Hub Batteries.
Le PEPR DIADEM intervient également dans le réseau de plateformes en Microscopie électronique en transmission et sonde atomique (IR METSA).
Le plan France 2030 et les infrastructures de recherche "Énergies"
Le plan France 2030 prévoit d’investir massivement dans les technologies innovantes afin de soutenir l’émergence d’une filière française de petits réacteurs modulaires (SMR). Dans ce cadre, le RJH, l’IR EMIR&A, la ligne MARS du synchrotron SOLEIL ou encore le GANIL-SPIRAL2 pour les aspects plus fondamentaux, sont des outils uniques pour comprendre et qualifier le comportement des matériaux et combustibles en vue d’un usage industriel.
Une autre priorité consiste à accompagner la France à devenir le leader de l’hydrogène bas carbone et des énergies renouvelables, et à promouvoir la production sur le territoire national de véhicules électriques et hybrides. Dans ce cadre, les IR* ESRF, ILL et SOLEIL ont une contribution essentielle aux deux programmes et équipements prioritaires de recherche (PEPR) adossés aux stratégies nationales d’accélération "H2 - Hydrogène décarboné" et "Batteries".
Quelques exemples :
- le PEPR exploratoire DIADEM, qui présente un volet important sur les matériaux pour l’ensemble des énergies et s’appuie sur les IR* ESRF, ILL, SOLEIL, ainsi que l’IR METSA ;
- le PEPR B-Best pour la transformation efficace de la biomasse dans le but d’obtenir des produits biosourcés et des carburants durables, en fort lien avec l’IR IBISBA-FR.
