L'énergie urbaine. Optimisée.
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Fig. 2 Fronts de Pareto (lignes de démarcation) de la ville de Coire pour les années 2018, 2035 et 2050. Les lignes verticales indiquent les différences minimales entre les solutions optimales et les solutions de rechange. Les pics gris représentent la somme des solutions non optimales pour 2018. Le pic de Pareto 1 représente la solution optimale en termes de coûts (Technologiemix) pour 2018. Le point de Pareto 2 indique la solution optimale avec des émissions de CO2 minimales. Il est intéressant de constater qu'en 2035, la solution optimale avec des émissions de CO2 minimales (point 3 du diagramme de Pareto), avec des coûts identiques à ceux de la solution optimale de 2018 (point 1 du diagramme de Pareto), est réalisable. La ville a la possibilité d'adopter une solution énergétique neutre en termes de coûts (et non d'investissements) au cours des 15 dernières années, afin d'atteindre l'objectif de réduction des émissions de CO2. Ce résultat intéressant concerne notamment l'augmentation de l'efficacité énergétique (réduction des émissions de gaz à effet de serre) et la réduction des coûts technologiques.
Pour atteindre l'objectif de réduction des émissions de gaz à effet de serre en 2050 [1], le système énergétique doit être considéré comme une priorité. Si l'on veut que les futurs consommateurs d'énergie soient alimentés par des énergies plus respectueuses de l'environnement, il faudra veiller à ce que les entreprises traditionnelles produisent des biens et des services conformes au droit climatique et à ce qu'elles les conservent. Eine solche Transformation bedingt das Erschliessen erneuerbarer Energiequellen wie Sonne, Wind, Geothermie, Seen usw. [2]. Ces sources d'énergie sont naturelles, de faible intensité et se situent dans des zones urbaines ou rurales. Werden sie genutzt, bilden sich aufgrund wirtschaftlicher Anreize dezentrale Energiesysteme1, die sich in dichten urbanen Gebieten ausgeprägter entfalten, indem z. B. thermische Netze verbaut werden [3].
Un système énergétique décentralisé dans une zone urbaine est une combinaison de plusieurs bâtiments dans un quartier ou une zone, qui utilisent des énergies renouvelables (solaire, biomasse, géothermie, etc.) ainsi que différentes technologies environnementales et techniques de production (photovoltaïque, chauffage à l'eau, chauffage à l'huile, traitement thermique, techniques de production à court terme et saisonnières, etc. L'efficacité énergétique et la réduction des émissions peuvent être améliorées avec un seul système local, mais aussi de manière efficace. La gestion de l'énergie est un élément essentiel du système. L'un des principaux avantages des systèmes énergétiques décentralisés par rapport aux systèmes traditionnels, organisés de manière centrale, est que l'énergie est acheminée sur place, où elle est également acheminée. Les coûts de transport doivent être réduits au minimum, ce qui implique une combinaison efficace des différentes technologies de l'énergie et de la vitesse. Les investissements dans ces systèmes sont aujourd'hui très élevés. Il est toutefois évident que leurs coûts d'exploitation, grâce à de nouvelles économies d'énergie et à l'utilisation de sources d'énergie plus efficaces, avec des coûts d'exploitation nuls, peuvent être massivement réduits.
Dans les travaux de recherche et de développement internationaux, les systèmes énergétiques décentralisés ont fait l'objet d'une attention particulière. Un thème d'actualité est d'identifier, de quantifier et d'exploiter le potentiel de la flexibilité pour le réseau électrique. Comment l'installation et la production d'énergie peuvent-elles être gérées, afin de favoriser la construction d'un réseau et, surtout, l'intégration massive de l'énergie solaire et éolienne fluide ? L'énorme potentiel de flexibilité peut se concrétiser lorsque les secteurs de l'électricité, de l'eau et de l'énergie thermique, de la mobilité et de l'industrie, tous concernés par l'énergie, sont mis à contribution. Lorsque des technologies telles que la régulation de l'énergie ou des options d'utilisation - l'utilisation électrochimique de l'énergie (Power-to-X) dans des sources d'énergie gazeuses (gaz de pétrole) ou liquides (éthanol/méthanol) - sont intégrées, il convient de déterminer les possibilités d'utilisation de l'énergie solaire.
Si la production d'énergie solaire peut produire des effets synergiques, l'application des technologies utilisées est importante. Dans tous les cas, les sources d'énergie telles que le pétrole, le gaz ou le charbon doivent être protégées ou éliminées. Le mélange technologique optimal pour un quartier ou une ville spécifique dépend d'une infrastructure qui permet le transport de différents types d'énergie. L'analyse et l'évaluation globales de cette infrastructure doivent être considérées comme une combinaison de réseaux, c'est-à-dire la fusion de réseaux distincts, qui se chevauchent, en réseaux intégrés, qui permettent d'atteindre l'objectif de l'exploitation énergétique globale.
La nouvelle génération de centrales électriques, au gaz et à l'électricité doit produire et distribuer de l'énergie de manière sûre et économique. Les systèmes énergétiques futurs doivent permettre d'organiser la production et la distribution de l'énergie de manière non seulement transparente et économique, mais aussi respectueuse de l'environnement, flexible et socialement responsable. Dadurch wird die Komplexität sowohl technisch wie auch wirtschaftlich erheblich gesteigert.
Le défi technique consiste à trouver, à partir d'une multitude de possibilités techniques qui, grâce à l'innovation, ne cessent de se développer, une solution optimale pour un site urbain individuel. Des centaines, voire des dizaines de combinaisons sont possibles pour créer un système énergétique décentralisé. Il est difficile de faire des pronostics sur l'évolution de la consommation d'énergie en raison de l'assainissement, des changements climatiques et de la pollution. Le deuxième défi est celui du développement économique. Les anciens modèles de gestion des déchets solides, du gaz et de l'eau ne sont pas toujours faciles à mettre en œuvre et doivent être adaptés aux systèmes énergétiques décentralisés. Les coûts d'investissement et d'exploitation ne seront pas affectés par la résiliation de l'accord sur les prix finaux ou par la disparition de certains avantages. L'innovation en matière de modèles de gestion doit se faire parallèlement au développement des nouveaux systèmes énergétiques. Auch hier gilt : Eine ganzheitliche Betrachtung eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten, Ertragsströme zu generieren.
Eine weitere ungelöste Herausforderung in der Schweiz liegt bei der Marktinte-gration und damit einhergehend bei den wachsenden regulatorischen Anforderungen sowie der Strommarktöffnung. Le Conseil fédéral a fait de cette décision un objectif visant à favoriser l'innovation dans le domaine de l'énergie, à renforcer les énergies renouvelables et à lutter contre les changements climatiques. Un premier pas dans cette direction a été franchi en 2018. La création de groupements d'entreprises, dans lesquels l'énergie solaire est produite et consommée en association avec des bâtiments, a donné naissance à de nouveaux modèles attrayants pour les systèmes énergétiques décentralisés.
Les systèmes énergétiques décentralisés gagneront en importance si, au cours des prochaines années, on assiste à une plus grande augmentation de la consommation d'énergie et de la production d'électricité. Pour les entreprises suisses, le développement de ces systèmes offre de nouvelles possibilités, car les solutions techniques et économiques sont nécessaires à la mise en œuvre des systèmes énergétiques. En outre, les villes et les communes devront jouer un rôle important dans la mise en œuvre de ces solutions, si leur rôle d'acteur de terrain dans le domaine de l'énergie est massivement renforcé. Les nouvelles possibilités doivent être mises en œuvre de manière active par tous les groupes d'intérêt.
1 Für dezentrale Energiesysteme sind verschiedene Ausdrücke in Gebrauch (nicht abschliessende Aufzählung) : Multi-Energiesysteme, lokale Energiesysteme, oder im Englischen : Energy Hubs, distributed Energysystems. Les auteurs utilisent le terme "dezentrales Energiesystem" pour désigner des systèmes et des infrastructures techniques dans les quartiers, les zones et les villes.
Comment faire avec la nouvelle complexité ? Les situations complexes nécessitent des instruments qui permettent de répondre à des besoins spécifiques. Grâce à l'élaboration de modèles mathématiques permettant de simuler et d'optimiser des systèmes physiques complexes, il est aujourd'hui possible d'étudier des systèmes énergétiques complexes et de résoudre des problèmes fondamentaux. La complexité est rendue possible par un processus de résolution simple.
Un comparatif : Depuis 20 ans, c'est un véritable travail de maître que de planifier et d'installer une installation photovoltaïque, de l'alimenter en électricité et de maximiser le rendement. Nur ausgewiesene Experten konnten lösen diese komplexe Aufgabe und mussten mit grossem Aufwand Berechnungen durchführen, um Komponenten aufeinander abzustimmen und zu einem betriebssicheren, effizienten und kostengünstigen System zusammenzufügen. Aujourd'hui, cette tâche complexe n'est plus qu'un jeu d'enfant, notamment grâce à des instruments de planification plus simples et faciles à utiliser, des composants standardisés et un contrôleur adaptable. Un processus de développement différent sera également appliqué au système énergétique central.
La collecte de données dans les zones urbaines est un véritable défi. Avec des données satellitaires et des images aériennes, il est possible de créer des modèles numériques en 3D de villes, de quartiers et d'agglomérations. Les infrastructures les plus importantes sont définies à l'aide de données SIG et il est possible d'obtenir des paramètres géoréférencés et variés dans le bâtiment, mais aussi à l'extérieur. Les profils de déplacement anonymes des personnes dans les villes permettent à Google de proposer des services personnalisés, tandis que les profils de consommation pertinents pour les restaurants, les villes ou les commerces peuvent être établis de manière statistique. Ce ne sont là que quelques exemples de la façon dont la "Datenquelle Stadt" peut générer des données sur les systèmes énergétiques. Un nouveau service pour l'exploitation de ces données - l'informatique urbaine - est mis en place rapidement. L'informatique fait appel à des techniques de la science de l'information pour résoudre des problèmes à l'aide de données. Elle englobe l'utilisation du traitement de l'information et l'ingénierie des systèmes d'information. De nouvelles méthodes sont également utilisées, telles que la sécurisation des données locales et la transmission sémantique des données (par exemple, Linked Data2 [4, 5]). Aufgrund der gesteigerten Leistungsfähigkeit privater Computer entwickeln sich mächtige Algorithmen (s. Machine Learning3), die grosse, vielfältige Datensätze analysieren können [6].
Les progrès réalisés dans le domaine de l'informatique urbaine montrent qu'il est possible de disposer d'instruments fiables pour planifier et gérer des systèmes complexes, tels que les systèmes énergétiques décentralisés. Les planificateurs d'énergie qui, jusqu'à présent, élaboraient leurs stratégies avec des tableaux Excel complexes et avec peu de précision, peuvent désormais planifier des stratégies complètes et optimisées pour leurs clients, grâce à l'utilisation d'instruments de planification uniques et avec peu de moyens. Les planificateurs disposent, en plus d'un traitement des données plus rapide, de plus de temps pour travailler de manière créative. Solche Instrumente sind als Werkzeuge zu verstehen, d. h., das Werkzeug ersetzt nicht den Fachmann, sondern erleichtert ihm seine Arbeit.
Der Betrieb dezentraler Energiesysteme bringt ebenfalls neue Anforderungen. Pour que les synergies entre les infrastructures interagissant entre elles (électricité, gaz et eau) puissent être exploitées, une automatisation intelligente est nécessaire. Unterschiedliche Speicher bezüglich Kapazität, Energieträger und Lade-/Entlade-Zyklen müssen optimal nach Gestehungskosten und CO2-Emissionen bewirtschaftet werden. Auch wann und mit welcher Leistung Energieumwandlungsanlagen, z. B. Wärme-Kraft-Kopplungen, betrieben werden, muss die Automation über vorausschauende Einsatzpläne planen. Pour cela, il faut des données de masse et des algorithmes puissants. Grâce au développement dans le domaine de l'Internet des objets (IoT), il est possible d'obtenir à moindre coût des données mesurées dans les quartiers et les stations et de les intégrer dans l'automatisation (PRN Contrôle). Les algorithmes de planification peuvent être adaptés aux besoins de l'utilisateur. Le modèle numérique des quartiers permet de réguler et de piloter le système énergétique central de façon optimale et complète (Model Predictive Control [7]).
2 Linked Data ist das Paradigma des Semantic Web, einer neuen Generation des World Wide Web, die verspricht, Daten Bedeutung zu verleihen. De la même façon que le Web traditionnel fournit des documents à lire pour les hommes, le Web des données liées fournit des données à traiter par des agents Software.
3 L'apprentissage des mathématiques est un domaine de l'intelligence physique et se concentre sur le processus d'apprentissage automatique des algorithmes informatiques par l'expérience (accès à des données volumineuses).
La complexité sera renforcée par la numérisation. Il sera possible de planifier, de construire et de mettre en service des systèmes (énergétiques) complets. Le but est de créer une nouvelle approche pour la mise en œuvre de ces systèmes.
In letzten zehn Jahren wurden verschiedenste Innovationen im Bereich dezentrales Energiesystemdesign, IoT und Algorithmen geschaffen und im Markt eingeführt (beispielhafte, schweizerische und nicht abschliessende Aufzählung) :
Software-Plattform für neue datengetriebene Geschäftsmodelle (en anglais)
Le développement régional a pour objectif d'éviter les émissions de CO2 lors de la mise en service.
Optimise les échanges avec les panneaux solaires et transforme les bâtiments en usines de production.
Données actuelles sur le Gebäudepark en Suisse
Décharger, absorber et disséminer le CO2, ou encore réduire les émissions de Kohlenstoff.
Solarbetriebene Produktion von Treibstoffen (Production solaire de substances chimiques)
Automatische Energieabrechnung von Energiedienstleistungen (techniques énergétiques automatiques)
Diese Projekte und Dienstleistungen ebnen den Weg, um die Erkenntnisse von heute zu nutzen und die Transformation des Energiesystems voranzutreiben. Au sein de l'Empa et de l'ETH, ainsi que dans le cadre du SCCER-FEEBD (Box), des algorithmes ont été développés au cours des sept dernières années, qui permettent de planifier et d'exploiter des systèmes énergétiques décentralisés. Des modèles numériques de quartiers suisses ont été créés à partir de différentes sources de données. Grâce à ces modèles, il est possible de simuler et d'optimiser les systèmes d'énergie. Si un optimum dépend de la répartition de divers facteurs de risque, par exemple la consommation d'énergie, la durée de vie et le coût de la vie, il est possible d'obtenir des résultats optimaux. Lebenszykluskosten und CO2-Emissionen.
L'immense besoin en systèmes énergétiques dans un quartier doit être satisfait grâce à des instruments de simulation et d'optimisation puissants, afin de déterminer les solutions optimales à mettre en œuvre. Le front de Pareto indique toutes les solutions optimales pour le quartier à traiter. Le planificateur énergétique peut, à l'aide du front de Pareto, trouver la bonne solution pour ses clients, avec la certitude que la solution choisie est une solution optimale (Fig. 2).
Dans la ville de Coire, un modèle numérique (Fig. 3) a été créé pour le quartier et les fronts de Pareto pour 2035 et 2050 ont été élaborés. Chaque solution représente un concept énergétique ambitieux. Grâce à ces fronts de Pareto, la solution retenue par l'IBC Energie Wasser Chur pour atteindre son objectif de 2040 émissions de CO2 nulles avec des coûts minimaux peut être définie. Par ailleurs, il est possible de déterminer dans quelle mesure les émissions de CO2 sont réduites lorsque de meilleurs produits de consommation, par exemple par le biais de subventions, sont vendus (voir l'analyse des émissions). L'évolution technologique des infrastructures nécessaires sera mise en évidence et la sécurité de la planification sera renforcée. Ou, selon les termes du PDG de l'IBC, Martin Derungs : "Avec ces instruments de planification, nous pouvons réaliser de manière élégante et simple notre projet complexe de planification énergétique sectorielle."
Les instruments de planification actuels pour les systèmes énergétiques décentralisés, qui concernent notamment les infrastructures de transport, de gaz et d'eau ainsi que la mobilité électrique, ne peuvent être utilisés que par des personnes hautement spécialisées. Sur cette base, leur utilisation dans le cadre d'un projet particulier est problématique. Pour que l'utilisation d'un seul instrument soit possible, il est nécessaire d'avoir un accès facile et une utilisation simple. La Spin-off de l'Empa, Urban Energy System Lab, s'est chargée de ce travail de développement. La société Urban Sympheny AG, dont le siège se trouve sur le campus de l'Empa (voir encadré), mettra en service, dans le courant de l'été, une plateforme "Software as a Service " (SaaS) permettant aux planificateurs d'énergie d'utiliser les algorithmes issus de la recherche. Ainsi, les planificateurs d'énergie peuvent modéliser, simuler et optimiser leurs projets pour les systèmes énergétiques décentralisés. Les solutions peuvent être trouvées avec la plateforme SaaS de manière plus simple, plus rapide et plus précise qu'avec un outil Excel, par exemple. Le modèle énergétique en fonction de la consommation d'énergie est gratuit et facile à mettre en œuvre.
La construction et la mise en œuvre de systèmes énergétiques décentralisés sont également concernées. Le parc de démonstration du campus de l'Empa à Dübendorf permet de tester de nouveaux concepts, systèmes et composants. Der Energy Hub (ehub) erlaubt das Experimentieren mit Energieflüssen im Quartier und verbindet den Gebäudebereich (NEST) mit der Mobilität bzw. dem Mobilitätsdemonstrator move, wo Antriebskonzepte und Treibstoffe aus erneuerbaren Energien weiterentwickelt werden (Fig. 4). C'est ainsi que de nouvelles méthodes pourront être mises au point dans les domaines de la construction, de l'énergie et de la mobilité, que des connaissances scientifiques seront acquises et que des directives seront établies.
Le Digital Hub (dhub) a été créé à partir de cette plate-forme de recherche et de démonstration. Il permet de relier les démonstrateurs physiques les plus avancés à l'univers numérique - et d'améliorer la qualité de l'habitat - avec le capteur d'énergie et de mobilité. Le résultat est un instrument de validation, de démonstration et de développement de solutions numériques, dont le but est d'améliorer le développement de modèles d'entreprise et le transfert de marques.
Les systèmes énergétiques décentralisés sont conçus selon le principe de l'alimentation par satellite. Ils permettent de maximiser l'utilisation de l'énergie renouvelable à un niveau local. Il ne s'agit pas ici de systèmes automatiques. Les systèmes énergétiques centraux sont plutôt des systèmes subsidiaires, qui s'intègrent dans des systèmes régionaux plus vastes. Dans tous les domaines - local, régional, national et européen - les systèmes d'énergie jumeaux présentent leurs objectifs, qui consistent à les rendre plus efficaces, plus efficients et plus rentables. Le système global est doté d'une grande résilience.
1) BAFU (2020) : Révision totale des taux de CO2 pour la période allant jusqu'à 2020 et réduction des droits d'émission de la Suisse et de l'UE (en classe de vérification),
2) BFE (2018) : Energiestrategie 2050, Monitoring-
Bericht 2018, Langfassung,
www.energiemonitoring.ch, pp. 17-19
3) Sulzer, M. et al. (2019) : Konzepte für die nächste Generation von technischen Regulierungen im Bereich Gebäude und Energie. Energiewende und Technische Regulierung EnTeR - Schlussbericht Phase 1. Dübendorf ; Zürich : Empa ; ETH Zürich
4) Filip Radulovic, F. et al. (2015) : Lignes directrices pour la génération et la publication de données liées : Un exemple dans la consommation d'énergie des bâtiments. Automation in Construction, Volume 57, Pages 178-187,
5) Orlandi, F. et al. (2019) : Interconnexion de données hétérogènes pour les systèmes énergétiques intelligents. Proc. Conférence internationale sur les systèmes et technologies énergétiques intelligents (SEST).
6) Zekić-Sušac, M. ; Mitrović, S. ; Has, A. (2020) : Système basé sur l'apprentissage automatique pour gérer l'efficacité énergétique du secteur public comme une approche vers les villes intelligentes. Journal international de la gestion de l'information, 102074,
7) Bünning, F. et al. (2020) : Démonstration expérimentale du contrôle prédictif de données pour l'optimisation énergétique et le confort thermique dans les bâtiments. Énergie et Bâtiments 211, 10979
