Un modèle complet du système énergétique suisse

Il y a un peu plus de quinze ans, Kannan Ramachandran a eu une idée. Doté d’un financement initial de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN), ce scientifique affilié au Laboratoire pour l’analyse des systèmes énergétiques (LEA) au PSI, membre du Energy Economics Group (EEG), a commencé à travailler sur un nouveau modèle économique et énergétique pour la Suisse. L’un des objectifs était d’obtenir une résolution temporelle horaire, un territoire alors encore inexploré. Kannan Ramachandran a dû surmonter de nombreux obstacles, notamment des données insuffisantes et des ressources informatiques limitées. De nombreuses phases de résolution de problèmes ont été nécessaires, certaines équations étant appliquées pour la première fois. Pour couronner le tout, le calendrier était particulièrement contraint, avec seulement deux années pour développer une première version de son projet.

Evangelos Panos, actuel dirigeant du groupe EEG, a pu mettre à profit son expertise en recherche opérationnelle en tant que post-doctorant nouvellement recruté au sein du groupe. Il se souvient du moment où il a entendu parler du projet pour la première fois: «J’ai vu le planning du projet accroché au mur du bureau de Kannan. Je lui ai demandé sur quoi il travaillait, et il m’a répondu, très simplement: ‹Je construis un nouveau modèle de système énergétique pour la suisse- cela devrait être terminé dans deux ans.› Je me suis demandé comment il comptait y arriver. Et pourtant il l’a bel et bien fait!»

Un modèle pour la transition énergétique en Suisse

L’année 2025 a marqué les quinze ans du modèle du système suisse énergétique TIMES, plus connu sous l’acronyme STEM. Il offre aujourd’hui une représentation complète du système énergétique suisse, couvrant l’ensemble des secteurs, de l’électricité et des transports jusqu’aux bâtiments  et à l’industrie. Développé par l’EEG groupe du PSI, le modèle est devenu un outil analytique de pointe en Suisse et une pierre angulaire de la recherche énergétique à l’échelle nationale.

Chaque système énergétique national étant spécifique, chaque pays nécessite son propre modèle, reflétant les conditions géographiques et climatiques, les infrastructures énergétiques existantes, la structure de l’économie, ainsi que les politiques nationales et les préférences culturelles. Cette exigence s’applique également dans le contexte de la transition énergétique. L’une des principales applications actuelles du modèle STEM est de soutenir les scientifiques, les décideurs politiques et les parties prenantes dans l’exploration des trajectoires de transition vers un système énergétique suisse neutre en carbone. Le modèle est utilisé pour traiter les questions liées à la décarbonisation de l’électricité et des transports, à l’intégration des sources d’énergie renouvelables intermittentes, à l’utilisation efficace de la biomasse indigène et au rôle stratégique de la force hydraulique.

«L’Institut Paul Scherrer PSI a fait un travail de pionnier en développant le premier modèle exhaustif du système énergétique de la Suisse représentant l’ensemble des secteurs dans un cadre intégré et cohérent, affirme Nicole Mathys, qui travaillait alors à l’OFEN, qui a soutenu les premières phases de financement du projet. A une époque où il n’existait encore aucun outil de ce genre, le STEM a introduit une approche dynamique et très technologique qui a permis de simuler des trajectoires à long terme pour la transition énergétique en Suisse de manière cohérente et fondée sur des données.»

Grâce à de nombreuses études et exercices de comparaison de modèles, le STEM est devenu un atout essentiel pour évaluer les trajectoires énergétiques robustes, abordables et socialement viables pour la Suisse.

Au-delà des modèles traditionnels de systèmes énergétiques

Le modèle STEM couvre tous les secteurs pertinents. Outre son horizon temporel conséquent, de 2010 à 2100, il propose une représentation heure par heure de la demande d’électricité les jours de la semaine et le week-end, et ce pour trois saisons. Ses fonctionnalités avancées incluent des profils de charge endogènes, des marchés de services auxiliaires, un algorithme sophistiqué d’engagement des unités, les contraintes du réseau de transport d’électricité, la segmentation des consommateurs pour les choix de mobilité et le suivi des flux de matières pour les émissions liées aux processus. Les informations fournies vont ainsi bien au-delà des modèles traditionnels de systèmes énergétiques.

Le STEM a aussi démontré son interopérabilité avec d’autres outils analytiques – parmi lesquels les modèles d’équilibre général calculable, les modèles basés sur le marché et sur les agents ainsi que les évaluations du cycle de vie – ce qui a permis de développer des scénarios plus riches, englobant de multiples perspectives. Sa documentation exhaustive et transparente accroît par ailleurs son utilité pour les scientifiques ainsi que pour les décideuses et décideurs politiques.

Un outil essentiel pour la recherche sur les systèmes énergétiques en Suisse

D’après Anne-Kathrin Faust de l’OFEN, la valeur du modèle STEM a considérablement augmenté à mesure que le système énergétique est devenu plus complexe. En matière d’analyse détaillée et dynamique, le  STEM s’est révélé «essentiel», souligne-t-elle avant d’ajouter: «Les extensions telles que l’intégration à des modèles pour les infrastructures électriques, d’Hydrogène et de CO2 à l’échelle UE , la modélisation industrielle détaillée, la représentation du comportement des consommateurs et la flexibilité de la demande, de même que le couplage avec la politique macroéconomique et les modèles de réseau ont fait du STEM un outil unique pour l’analyse de la politique énergétique documentée, en Suisse et au-delà des frontières.»

Depuis 2025, l’EEG du LEA – ainsi que le modèle STEM – contribue à l’élaboration des Perspectives énergétiques 2060, alimentant ainsi en information la politique à long terme de la Suisse dans ce domaine. L’équipe a également mis au point des outils qui s’étendent au-delà des frontières nationales pour couvrir toute l’Europe et faciliter les analyses au niveau des villes (comme à Bâle). Le modèle STEM a même inspiré un modèle national complet pour la Nouvelle-Zélande.

«Au fil des ans, la portée, la profondeur et la capacité de calcul du modèle STEM ont été constamment améliorées au point d’en faire l’un des principaux modèles énergétiques et économiques riches en technologie au monde», explique Stefan Hirschberg, qui a fondé le LEA il y a vingt ans et a soutenu la création du modèle à ses débuts. Tom Kober, le précédent directeur de l’EEG, ajoute: «La comparaison avec d’autres modèles confirme qu’il s’agit de l’un des modèles de systèmes énergétiques les plus riches de sa catégorie, avec des données cohérentes et réalistes sur les technologies et le marché.»

Le modèle STEM est cofinancé entre autres par l’OFEN, Swissgrid, Innosuisse, l’association faîtière du secteur électrique suisse AES et Swisseletric Research, et de nombreux autres contributeurs.

La prochaine frontière dans la modélisation des systèmes énergétiques

Alors que la transformation énergétique de la Suisse devient plus complexe, le modèle STEM évolue pour soutenir la prochaine génération de décisions politiques. Le groupe travaille à l’extension du modèle afin de relever certains des défis les plus urgents de la transition vers la neutralité carbone, dans toutes les régions et tous les secteurs. Une nouvelle version permettra de prendre en compte les gaz à effet de serre autres que le dioxyde de carbone (CO₂), tels que le méthane (CH₄) provenant de l’agriculture et des déchets, et le protoxyde d’azote (N₂O) issu de l’utilisation d’engrais et des procédés industriels. Le modèle est également utilisé pour évaluer les impacts plus larges du changement climatique et de la pollution atmosphérique sur la santé et l’économie. La prochaine étape va consister à intégrer les remontées d’information macroéconomiques, afin de permettre au modèle de simuler l’interaction entre la transformation énergétique et l’économie suisse.

Grâce à ces nouvelles fonctionnalités, le STEM est en passe de devenir le premier modèle d’évaluation entièrement intégré de Suisse, tout comme il a été le premier modèle de système énergétique à grande échelle du pays il y a 15 ans. Ces développements garantissent qu’il puisse continuer de fournir des informations scientifiques pertinentes sur le plan social aux décideurs politiques, à l’industrie et au grand public. Comme le souligne Russell McKenna, responsable du laboratoire LEA : «Le STEM est un outil indispensable pour analyser les questions systémiques complexes qui se posent dans le contexte de la transformation énergétique suisse.»

Text: Institut Paul Scherrer PSI/Carolyn Kerchof

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur des technologies d'avenir, énergie et climat, innovation santé ainsi que fondements de la nature. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2300 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 450 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

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PSI Center for Energy and Environmental Sciences
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