La technique énergétique des bâtiments, quartiers et villes d’aujourd’hui est souvent surannée. L’alimentation
en énergie des maisons doit absolument gagner en efficacité, et les quartiers doivent être alimentés en énergie renouvelable. La conversion des villes aux systèmes durables de production d’énergie et de mobilité est impérative. Kristina Orehounig, du laboratoire Urban Energy Systems de l’Empa, étudie ces modèles d’énergie complexes.

Kristina Orehounig, responsable du laboratoire Urban Energy Systems de l’Empa

Du petit au grand. Du compliqué au complexe. De l’architecture à la physique du bâtiment. C’est le parcours scientifique suivi par Kristina Orehounig. Elle a étudié l’architecture à l’Université technique de Vienne et rédigé sa thèse sur la simulation des bâtiments. Depuis deux ans, c’est elle qui dirige le laboratoire Urban Energy Systems de l’Empa. Interdisciplinaire, interconnecté et orienté vers un avenir durable, ce laboratoire travaille sur les systèmes énergétiques de bâtiments, de quartiers et de villes entières.

Madame Orehounig, le bâtiment est la plus petite unité. Sur le plan de la technique énergétique, quel est ici le défi à relever? En Suisse, le bâti individuel en place est relativement énergivore. Dans un premier temps, nous devons procéder à son assainissement énergétique, en fonction de son type et de sa localisation, pour faire baisser sa consommation, par ex. en isolant les toits et les murs et en remplaçant le vitrage.

Et ensuite? Nous devons intégrer des appareils plus efficients et remplacer les énergies fossiles employées pour le chauffage (fuel, gaz) par des énergies renouvelables: photovoltaïque pour produire de l’électricité, pompes à chaleur, solaire thermique, couplage chaleur-force ou réseaux de chaleur à distance pour le chauffage. L’objectif est d’éliminer les combustibles fossiles du bâtiment et de ne consommer qu’une petite quantité d’énergie, voire plus du tout.

Plus du tout consommer d’énergie? C’est une question de bilan. On consommera forcément de l’énergie à certains moments. Mais celle-ci pourra être produite par des panneaux solaires posés sur le toit. On pourra aussi produire en été l’énergie dont on aura besoin en hiver et la stocker.

La technologie de stockage est-elle au point? Le stockage à court terme ne pose pas de problème. Pour le stockage à long terme, les technologies existent, mais sont rarement intégrées. En cause, l’absence d’incitations financières, le marché de l’électricité n’étant pas ouvert. Une bonne gestion de l’énergie exige de connaître le microclimat du bâtiment ou de l’îlot de bâtiments dans l’espace urbain. Passer de la simple maison au quartier entier nécessite des modèles plus complexes, qui s’inscrivent dans un projet de big data. Après avoir rassemblé une multitude de données auprès de stations météorologiques, avec les températures et l’exposition des bâtisses, on peut calculer la consommation énergétique des logements et déterminer le mix énergétique idéal du quartier.

«Dans la ville de demain, la production alternative décentralisée, la consommation d’énergie des bâtiments et l’électromobilité devront s’engrener le mieux possible dans un seul système urbain.» Kristina Orehounig, responsable du laboratoire Urban Energy Systems de l’Empa

A quoi les modèles calculés servent-ils? Nous dimensionnons le système énergétique en fonction du quartier, calculons le nombre de pompes à chaleur ou de cellules photovoltaïques à intégrer, s’il faut prévoir une technologie de stockage ou un réseau de chaleur. Nous concevons un modèle optimisant le fonctionnement, montrons comment doit circuler l’énergie. Nous réduisons ainsi au maximum les coûts et les émissions de CO2.

Est-ce la voie vers la ville économe en énergie de demain, en tant qu’espace durable? Nos modèles permettent de simuler des quartiers urbains. La tâche est plus complexe dans une ville entière. Nous ne pouvons pas détailler chaque bâtiment, nous devons simplifier. Nous devons aussi penser à l’avenir, aux effets du changement climatique. Dans certains cas, la problématique ne relève pas du chauffage, mais du refroidissement. Nous devons aussi intégrer la mobilité urbaine, qui se détourne de l’énergie fossile au profit de l’électrique. Autre point clé: la production d’énergie alternative sera davantage locale, c.-à-d. décentralisée. Tous ces éléments devront s’emboîter le mieux possible au sein de l’espace urbain.

Les équipes de scientifiques que dirige K. Orehounig ont développé leurs modèles en étroite collaboration avec des fournisseurs d’électricité, des villes et des communes. Le logiciel issu de ces travaux permet d’ores et déjà de cibler certains quartiers urbains pour analyser leur consommation d’énergie. Le pool de données continue de s’étoffer. En l’absence de mesures concrètes, les scientifiques peuvent désormais s’appuyer sur les valeurs de zones urbaines similaires.

Vos travaux de recherche devraient aboutir à des mesures concrètes à grande échelle. Où en êtes-vous?
Nous avons bien avancé. Plusieurs chercheurs de notre laboratoire se sont regroupés pour fonder la start-up et spin-off de l’Empa Sympheny. Ils prévoient de développer et de commercialiser notre plate-forme sous la forme d’une application facile d’utilisation. Leur objectif est de proposer aux planificateurs en énergie des solutions durables et économiques d’alimentation en énergie de quartiers, de districts, de sites, de villages et aussi de villes.