Le bâtiment intelligent, nouveau venu dans la transition énergétique

Dossier : Trend-XMagazine N°740 Décembre 2018
Par Riwal PLOUGONVEN (95)
Par Patricia CRIFO
Par Jordi BADOSA
Les bâtiments sont responsables d’une grande part de la consommation énergétique (44 % en France selon l’Ademe). Les défis environnementaux (réduction de l’empreinte carbone), de transition énergétique (décentralisation de la production avec des sources renouvelables), de transport (avec une forte augmentation attendue de véhicules électriques) et de communication (objets connectés, gros volumes de données…) nécessitent que ces bâtiments deviennent des acteurs énergétiques. Dans cet objectif, Trend‑X s’emploie à modéliser des systèmes de gestion énergétique et à développer des démonstrateurs avec des bâtiments du campus.

Apporter au réseau élec­trique la flex­i­bil­ité néces­saire con­stitue un for­mi­da­ble défi sci­en­tifique, indus­triel et socié­tal, avec de mul­ti­ples inter­ro­ga­tions : com­ment pren­dre en compte les incer­ti­tudes de prévi­sion de pro­duc­tion et con­som­ma­tion pour la ges­tion effi­cace d’un microréseau ? Quelle est la ges­tion opti­male de l’énergie d’un bâti­ment dans le con­texte de son quarti­er et de sa région ? Dans quelle mesure les con­som­ma­teurs peu­vent-ils jouer un rôle dans la ges­tion intel­li­gente d’un bâtiment ?


REPÈRES

Un cadre régle­men­taire existe désor­mais cor­re­spon­dant à l’autoconsommation indi­vidu­elle et col­lec­tive en France (loi n° 2017-227 du 24 févri­er 2017) ; 40 000 foy­ers en auto­con­som­ma­tion sont atten­dus pour 2018 et 4 mil­lions à l’horizon de 2030 selon l’association Think Smart Grids ; la tar­i­fi­ca­tion est en train d’évoluer et de s’adapter. Les pro­duc­teurs devi­en­nent « consom’acteurs » de petits sys­tèmes, ou microréseaux, inter­con­nec­tés, qui peu­vent avoir des moyens de stock­age et échangent avec le réseau élec­trique prin­ci­pal qui, à son tour, béné­fi­cie de la flex­i­bil­ité que ces microréseaux peu­vent lui apporter.


Le bâtiment intelligent, clé pour la flexibilité

Dans le con­texte de la tran­si­tion énergé­tique, un bâti­ment intel­li­gent a trois car­ac­téris­tiques prin­ci­pales. D’abord l’efficacité : il con­somme l’énergie néces­saire à ses fonc­tions pri­maires et au con­fort de ses occu­pants, mais avec sobriété ; il doit ensuite être auto­pro­duc­teur : il génère et auto­con­somme une par­tie de cette énergie à par­tir de sources renou­ve­lables. Les moyens de pro­duc­tion d’énergie peu­vent être de divers­es natures, les plus habituels étant l’énergie solaire d’origine pho­to­voltaïque et ther­mique. Enfin, il doit être flex­i­ble : capa­ble de s’adapter à des con­traintes soit internes soit externes (du réseau). La flex­i­bil­ité peut être apportée par une ges­tion locale de l’électricité, notam­ment à par­tir de la mod­u­la­tion de la con­som­ma­tion et du stockage/déstockage.

Les bâti­ments intel­li­gents sont naturelle­ment adap­tés à l’accueil des éner­gies renou­ve­lables, notam­ment le solaire ther­mique et pho­to­voltaïque, qui s’intègrent en toi­ture ou en façade de manière simple.

Les bâti­ments intel­li­gents offrent une oppor­tu­nité de développe­ment économique, notam­ment autour des solu­tions numériques, liées à l’internet des objets et à la domotique.

Si un marché est bien en train de se créer pour l’autoconsommation indi­vidu­elle ou col­lec­tive, avec des tar­ifs qui la ren­dent com­péti­tive, il n’est qu’en début de mat­u­ra­tion. Des démon­stra­teurs regroupant plusieurs indus­triels, comme les pro­jets Ker­grid (morbihan-energies.fr/kergrid), Issy­Grid (issygrid.com) et Nice Grid (nicegrid.fr), par­ticipent à cette mat­u­ra­tion. L’inclusion de parte­naires académiques dans ce type de démon­stra­teurs per­met de pouss­er l’innovation dans les solutions.

Vues du lab­o­ra­toire des nanoréseaux (NRLAB), qui per­met la mod­éli­sa­tion physique et numérique à petite échelle de la pro­duc­tion pho­to­voltaïque, le stock­age élec­trochim­ique, la con­som­ma­tion élec­trique et la ges­tion dynamique de l’énergie.

Des démonstrateurs de bâtiments intelligents à l’X

Dans ce con­texte, la démarche de Trend‑X vise à mod­élis­er des sys­tèmes de ges­tion énergé­tique et à dévelop­per des démon­stra­teurs avec trois bâti­ments. La mod­éli­sa­tion des sys­tèmes de ges­tion énergé­tique, inté­grant pro­duc­tion, stock­age et con­som­ma­tion, repose d’une part sur la mod­éli­sa­tion math­é­ma­tique : il s’agit de dévelop­per des algo­rithmes de ges­tion et de prévi­sion de la ressource et de la con­som­ma­tion, tirant par­ti des prévi­sions météorologiques et de méth­odes sta­tis­tiques pour opti­miser les choix d’énergie et de stock­age. Elle repose égale­ment sur la mod­éli­sa­tion physique, où un micro-réseau est simulé à l’échelle réduite avec un pan­neau solaire, une éoli­enne, une bat­terie de stock­age et des ému­la­teurs de con­som­ma­tion et de source d’énergie sec­ondaire (typ­ique­ment le réseau nation­al). Dans le cadre de Trend‑X, le sou­tien du Siebel Ener­gy Insti­tute et la col­lab­o­ra­tion de plusieurs lab­o­ra­toires – LMD, LPICM, GeePs, Lab­o­ra­toire d’informatique pour la mécanique et les sci­ences de l’ingénieur (Lim­si) – ont per­mis la con­struc­tion de ce microréseau, bap­tisé NRLAB. Ce microréseau simule à l’échelle réduite le fonc­tion­nement des bâti­ments de taille réelle détail­lés ci-dessous et de tester des scé­nar­ios de ges­tion de ces bâti­ments. Ce microréseau NRLAB, instal­lé dans une salle du LMD et à dis­po­si­tion de tout le con­sor­tium Trend‑X, est un out­il inno­vant pour la recherche et l’enseignement. En effet, NRLAB est util­isé comme sup­port de travaux pra­tiques pour des enseigne­ments dis­pen­sés dans les par­cours d’approfondissement du cycle poly­tech­ni­cien, des grad­u­ate degrees et de la for­ma­tion con­tin­ue dis­pen­sée dans l’Executive Edu­ca­tion de l’X.

Les mod­éli­sa­tions math­é­ma­tique et physique per­me­t­tent de car­ac­téris­er le sys­tème de ges­tion en fonc­tion­nement, l’améliorer du point de vue algo­rith­mique et l’adapter à des bâti­ments de taille réelle. Le développe­ment de démon­stra­teurs à taille réelle per­met d’intégrer un élé­ment fon­da­men­tal du bâti­ment : la présence d’usagers. Opti­miser le fonc­tion­nement de bâti­ments intel­li­gents néces­site d’étudier le com­porte­ment des usagers, par exem­ple par des méth­odes de type nudge (voir arti­cle page 46) pour assur­er une meilleure adéqua­tion entre pic de con­som­ma­tion et pic de production.

Dans le cadre de Trend‑X, les démon­stra­teurs en développe­ment sont de deux types : des bâti­ments à usage ter­ti­aire, bien adap­tés à l’installation pho­to­voltaïque, avec un pro­fil de con­som­ma­tion élevé dans la journée, aux moments de pro­duc­tion max­i­male, et des bâti­ments à usage d’habitation, qui intè­grent de nom­breux loge­ments partageant des ressources d’autoproduction et des out­ils de ges­tion collective.

Sché­ma de principe du microréseau PLEINERGIE déployé sur le bâti­ment hébergeant l’observatoire du cli­mat Sir­ta en 2020.

Démonstrations en grandeur réelle

L’objectif de ces démon­stra­teurs est de com­bin­er des don­nées de mesures (pro­duc­tion, con­som­ma­tion, niveau de charge des bat­ter­ies…) et des car­ac­téris­tiques com­porte­men­tales pour estimer le poten­tiel de flex­i­bil­ité de con­som­ma­tion énergé­tique, pour gér­er de façon opti­male le bâti­ment. Trois bâti­ments du cam­pus de l’École poly­tech­nique font l’objet d’études : le Drahi‑X Nova­tion Cen­ter, qui héberge des start-up, des équipes de recherche académique, des équipes indus­trielles de R & D, un fablab et des bureaux d’étudiants, est le pre­mier démon­stra­teur de microréseaux dévelop­pé dans Trend‑X. Il est con­stru­it sur un bâti­ment exis­tant et compte avec la col­lab­o­ra­tion de plusieurs PME et start-up (comme e‑Lum et Spinal­Com) et de groupes de recherche inter­dis­ci­plinaires. Le bâti­ment de l’observatoire du cli­mat Sir­ta est égale­ment un bâti­ment à usage ter­ti­aire. Ce nou­veau bâti­ment, qui ver­ra le jour en 2020, a été conçu dès le départ avec un réseau élec­trique indépen­dant per­me­t­tant l’autoconsommation à par­tir d’une ferme pho­to­voltaïque, un sys­tème de stock­age fixe et mobile (véhicule élec­trique) et des espaces pour l’expérimentation et la péd­a­gogie. Il sera ouvert aux étu­di­ants, pour y réalis­er des pro­jets sur les éner­gies renou­ve­lables mais aus­si au pub­lic en général pour des vis­ites, sémi­naires et événe­ments autour du cli­mat et de l’énergie.

L’utilisation de bâti­ments d’usages dif­férents per­me­t­tra une étude com­parée des modes de ges­tion et d’optimisation, et des com­porte­ments des usagers. Ces travaux com­bi­nant prévi­sions de la pro­duc­tion et de la con­som­ma­tion énergé­tique, analyse des mesures, opti­mi­sa­tion math­é­ma­tique, analyse des com­porte­ments font col­la­bor­er des chercheurs de dis­ci­plines var­iées (géo­physique au LMD, math­é­ma­tiques appliquées et infor­ma­tique au CMAP et LIX, ges­tion à I3) et doivent per­me­t­tre des inno­va­tions con­séquentes dans la façon de gér­er les bâti­ments intel­li­gents, comme le con­trôle prédictif.

Du bâtiment à la ville

Les démon­stra­teurs de bâti­ments intel­li­gents sont avant tout des out­ils de recherche. Cepen­dant le pro­jet Trend‑X vise aus­si à déploy­er des ver­sions opti­misées et sta­bil­isées de ces démon­stra­teurs de façon mas­sive dans les ter­ri­toires, en impli­quant les com­munes volon­taires. Dans le cadre du pro­jet Écoblock, la munic­i­pal­ité volon­taire du pro­jet améri­cain est la ville d’Oakland, en Cal­i­fornie. Dans le con­texte de Trend‑X, le ter­ri­toire fran­cilien est tout naturelle­ment à explor­er pour déploy­er notre démon­stra­teur d’Écoblock. Par exem­ple, la ville de Paris s’est fixée pour objec­tif dans son plan cli­mat d’être une ville 100 % écorénovée aux bâti­ments bas car­bone et à énergie pos­i­tive, avec notam­ment la réno­va­tion d’un mil­lion de loge­ments d’ici 2050. L’analyse économique de ces enjeux économiques, environ­nementaux et soci­aux sera pilotée au sein de Trend‑X par le Crest, et abor­dée dans la for­ma­tion du grad­u­ate degree Smart Cities and Urban Pol­i­cy.

Les enjeux sont d’identifier les quartiers à rénover et à instru­menter, puis d’y déploy­er les solu­tions tech­niques dévelop­pées à l’échelle d’un bâti­ment. La société nam.R spé­cial­isée en intel­li­gence arti­fi­cielle devrait soutenir le pro­gramme Trend‑X pour tra­vailler sur l’identification des quartiers d’habitation où déploy­er notre démon­stra­teur Écoblock. Le déploiement mas­sif du démon­stra­teur opéra­tionnal­isé néces­sit­era une asso­ci­a­tion forte entre col­lec­tiv­ités ter­ri­to­ri­ales et industriels.


Le bâti­ment d’habitation des Bach­e­lors (480 logements).

Le bâtiment bachelor, démonstrateur d’autoconsommation collective

Le bâti­ment Bach­e­lor doit héberg­er jusqu’à 480 per­son­nes au cœur du cam­pus à par­tir de la ren­trée 2019. Sa sur­face en toi­ture impor­tante, ses loge­ments avec des for­mats dif­férents et des moyens de pro­duc­tion et ges­tion cen­tral­isés font de ce bâti­ment un ter­rain d’application prop­ice à la ges­tion col­lec­tive, la coopéra­tion et l’étude du rôle des con­som­ma­teurs. Total va l’équiper à cet effet dans le cadre d’une col­lab­o­ra­tion de recherche avec l’École. Ce bâti­ment sera un des pre­miers démon­stra­teurs d’autoconsommation col­lec­tive et con­stituera le démon­stra­teur français du pro­jet inter­na­tion­al Écoblock con­duit en col­lab­o­ra­tion avec l’université de Berkeley.


Des objectifs ambitieux

Si l’Union européenne a inscrit l’objectif de 27 % d’énergie renou­ve­lable dans son bou­quet énergé­tique pour 2030, la France en a de plus ambitieux avec 32 % à l’horizon 2030, et 40 % en ce qui con­cerne la pro­duc­tion d’électricité.

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