Un concept énergétique de campus autosuffisant

Le défi

Neuhof est une institution éducative à Birr, en Suisse, qui accompagne des jeunes à travers des installations d’horticulture, de jardinage, de gastronomie, d’agriculture, de peinture, de métallurgie et de menuiserie, aux côtés d’espaces résidentiels et de formation. Réparti sur neuf installations éducatives, des bureaux, des logements et des terres agricoles, soit 18 000 m² de surface bâtie sur 172 000 m² de terrain, le campus a la variété d’un petit village. Aujourd’hui, son énergie provient de l’électricité et du gaz du réseau. Neuhof s’est fixé pour objectif de devenir un phare pour les autres : un système énergétique 100% renouvelable et entièrement autosuffisant.

Cet objectif impose le couplage sectoriel. L’autosuffisance complète signifie que chaque vecteur de demande, soit le chauffage des locaux, l’électricité et les carburants des véhicules, y compris les tracteurs agricoles, doit être couvert par des ressources renouvelables sur site ou immédiatement environnantes. Une nouvelle installation de formation et la rénovation de bâtiments existants modifient le profil de demande. Et un système autosuffisant a besoin d’espace physique pour la production et le stockage décentralisés sur site, de sorte que tout concept doit être spatialement réalisable, et pas seulement optimal sur le plan énergétique.

Comment Sympheny a été utilisé

L’équipe de Sympheny a d’abord quantifié les profils de demande de chauffage des locaux, d’eau chaude et d’électricité à résolution horaire pour chaque bâtiment du site, ainsi que les profils de demande énergétique des véhicules et des tracteurs, à l’aide d’une combinaison de mesures et de simulations énergétiques. Du côté de l’offre, les ressources renouvelables sur site ont été évaluées et quantifiées à partir d’évaluations antérieures du potentiel géothermique, des vitesses de vent et des débits d’eau, couvrant le solaire, la géothermie, l’éolien, l’hydraulique, les déchets agricoles, le lisier et les déchets organiques de la zone environnante. Un large ensemble de technologies candidates de conversion et de stockage a été spécifié (Agri-PV, sondes géothermiques, biodigesteur, batteries, stockage de glace, stockage d’eau chaude en fosse, stockage d’hydrogène et de méthane, électrolyseur, pile à combustible, méthaniseur, CCF à gaz) et l’algorithme de Sympheny a parcouru les configurations système possibles pour trouver une trajectoire à coût minimal et techniquement réalisable vers l’autarcie complète.

• Autosuffisance sur tous les vecteurs : a optimisé ensemble la chaleur, l’électricité et les carburants des véhicules, de sorte que l’algorithme puisse exploiter le couplage sectoriel plutôt que de traiter chaque vecteur isolément.
• Intégration des ressources agricoles : a traité les surfaces agricoles, le lisier et les déchets organiques comme des ressources énergétiques à part entière, aux côtés du solaire, de la géothermie, de l’éolien et de l’hydraulique.
• Logique de stockage saisonnier : a dimensionné le stockage de méthane et d’hydrogène de sorte que les surplus estivaux portent le site à travers l’hiver sans aucun soutirage au réseau.

Le système énergétique de Neuhof tel que configuré dans Sympheny : sous-systèmes solaire-PV, biogaz-et-méthane, hydrogène et chaleur-et-électricité reliés en un seul modèle autosuffisant.

Résultat

Après plusieurs itérations d’optimisation, Neuhof et Sympheny ont identifié un concept présentant un équilibre particulièrement attractif entre faible complexité système et faibles coûts du cycle de vie : une grande installation Agri-PV, un grand réservoir de méthane pour le stockage saisonnier d’énergie, un CCF à gaz, une pompe à chaleur air et plusieurs systèmes de stockage plus petits pour le stockage de plus court terme. La chaleur, l’électricité et le méthane des véhicules agricoles sont fournis principalement par la combinaison du solaire de l’installation Agri-PV et des déchets organiques issus des exploitations agricoles sur site et environnantes : les déchets organiques passent dans un biodigesteur et sont valorisés en méthane, le stockage saisonnier du méthane assurant un approvisionnement suffisant durant les mois d’hiver sans aucun soutirage au réseau électrique ou gazier.

L’installation Agri-PV produit également un surplus estival significatif, qui dans ce concept est converti en hydrogène, stocké temporairement sur site et vendu à des tiers, transformant le déséquilibre saisonnier en revenu externe. Le concept exploite exactement ce qui rend Neuhof distinctif : d’amples surfaces agricoles et un flux régulier de déchets organiques. Cela le rend directement reproductible sur d’autres sites agricoles et en zones rurales.

L’exploitation annuelle du concept optimal : production Agri-PV au fil de l’année, production mensuelle d’H₂ à partir du surplus estival, électricité de pile à combustible aux pointes hivernales, et le profil d’export d’H₂ qui en résulte.