Modélisation des aspects temporels

L’électricité dans le bâtiment : contexte et enjeux

La dimension énergétique dans la problématique de la conception du bâtiment est fondamentale. Le contexte français donne une forte importance à l’électricité, un choix politique fort ayant conduit à une grande importance de cette énergie dans le bouquet énergétique national1 . Le secteur du bâtiment est fortement lié et impacté par ce choix.

Contexte, chiffres et généralités

La consommation d’énergie finale en France suit une tendance globalement à la hausse. Entre 1970 et 2006 elle a augmenté de 0,9 % annuellement en moyenne, toutes énergies confondues. Figure 18 : Production nationale d’énergie primaire de la France entre 1970 et 2006, en millions de Tonnes équivalent pétrole (entre parenthèses le taux d’évolution moyen sur la période 1990-2006) Comme le montre ce graphique, la production électrique française a elle aussi suivi une tendance à la hausse, sur un rythme plus soutenu (3,6 % d’augmentation par an en moyenne entre 1970 et 2006). Cette évolution est liée au développement de l’énergie nucléaire et dans une moindre mesure renouvelable, et à une volonté politique de développer et d’accroitre la part de l’électricité dans le paysage énergétique français. Cette énergie a ainsi vu son importance plus que doubler dans la consommation finale d’énergie, passant de 10 % en 1970 à 23 % en 2006. Cette augmentation de la production et de la consommation d’électricité s’accompagne d’une modification radicale de l’usage de cette énergie2 . Ainsi si en 1970 le secteur de l’industrie représentait 50 % de la consommation d’électricité en France, elle ne représente plus aujourd’hui que 30 % des besoins en électricité, contre 30 % pour le secteur tertiaire et 35 % pour le secteur résidentiel. Figure 19 : Consommation finale d’électricité par secteur, avec correction climatique (TWh) Ce changement radical dans la structure de la consommation d’électricité est particulièrement lié au développement important, en France, du chauffage électrique. La production et la consommation d’électricité étant fortement soumises à des lois physiques et techniques contraignantes, notamment l’impossibilité d’un stockage pérenne et des contraintes en termes de mobilisation et de réactivité des différents modes de production, un ajustement constant de la production à la demande doit être assuré, ce en mettant en jeu, en fonction du type de variation (notamment caractérisée par son amplitude et sa rapidité), les différents types de solution technologiques disponibles : – Centrales nucléaires – Centrales hydrauliques – Centrales thermiques – Importations – Autres solutions : baisse de tension, délestage… L’importance récente du secteur résidentiel/tertiaire a, de par les spécificités des usages liés (fort lien avec les conditions climatiques, importante variabilité temporelle, à l’échelle horaire et saisonnière notamment, concentration temporelle des appels d’énergie entrainant des effets de pointe…), singulièrement complexifié la gestion de la production d’électricité. De même l’augmentation globale de la consommation et l’ouverture européenne du marché de l’électricité a modifié la gestion des mécanismes d’importation/exportation (dont l’évolution du bilan global est présentée sur la figure ci-dessous). 82 Figure 20 : Les échanges français d’électricité de 1970 à 2006 (TWh) Ainsi si le solde global des échanges transfrontaliers d’électricité reste fortement positif jusqu’en 2006, la variation au cours de l’année de ceux-ci, en fonction des besoins sur le territoire national, peut significativement modifier, ponctuellement, les caractéristiques de production de l’électricité consommée. L’augmentation de la consommation électrique réduit ce solde, qui tend à devenir négatif. La dimension énergétique étant fondamentale dans l’analyse des impacts environnementaux du secteur du bâtiment, en lien avec la phase d’utilisation de ce type de système, une étude précise et poussée de ces aspects apparait comme nécessaire à une bonne prise en compte des conséquences environnementales de l’usage d’électricité. Considérer l’éco-conception à l’échelle du quartier permet de plus une diversification et une multiplication des degrés de liberté à prendre en compte, multipliant les solutions techniques pouvant être mises en jeu (production localisée d’énergie, interconnexion entre bâtiments…). De ce point de vue, un développement de la connaissance et de la modélisation du comportement d’un quartier considéré en tant que système physique doit prendre en compte de manière précise ces aspects de réseaux énergétiques (« smart grids »).

Production et consommation d’énergie dans les bâtiments et les quartiers : cadre et solutions

La conception des bâtiments prend de plus en plus en compte la dimension énergétique et environnementale, ce principalement sous deux angles différents. Le premier concerne la consommation d’énergie, et sa diminution, le second est lié au mode de production. En termes de maîtrise de la demande, le premier aspect considéré ici est celui de la morphologie du bâtiment, de sa forme, de sa compacité, du choix des matériaux utilisés. Cette dimension permet de fortement influer sur les besoins de chauffage et de climatisation permettant d’assurer une 83 consigne de température imposée. Cet aspect fait l’objet de nombreuses études et de travaux de simulation qui ont été répertoriés [EERE, 2008] (citons par exemple TRNSYS, COMFIE, ESP-r, DOE-2, Energy Plus, Spark, Energy 10), permettant d’analyser et de déterminer, à des degrés de détail temporel divers, le comportement d’un bâtiment. Sont aussi considérées les technologies permettant d’optimiser la fourniture d’énergie au bâtiment, ainsi que son comportement. On citera ici par exemple les pompes à chaleur, les dispositifs de récupération d’énergie (ventilation double flux), ou de préchauffage de l’air ventilé (puits climatique). De même des dispositifs de régulation du fonctionnement de ces différents systèmes, et de gestion du comportement du bâtiment, contribuent à la réduction de la consommation en énergie (directement liée à la production) liée au fonctionnement du bâtiment. L’autre aspect clé de la dimension environnementale de notre problème est lié au mode de production de l’énergie consommée. Comme on l’a vu, une grande partie de l’énergie mobilisée est issue de la production d’électricité, qui dépend d’une gestion complexe d’un parc de centrales de production de différents types. La fourniture d’énergie peut néanmoins être assurée par d’autres alternatives, moins globalisées. Ainsi les besoins de chauffage ou en eau chaude sanitaire d’un bâtiment peuvent être assurés par une chaudière au gaz, au fioul ou au bois, par le raccordement à un réseau de chaleur urbain, la géothermie ou des panneaux solaires thermiques. A l’échelle d’un quartier, différents types de chaufferie collectives peuvent être considérées. La production d’électricité tend elle aussi à se diversifier. Ainsi, comme mis en évidence sur la figure suivante, la production éolienne et photovoltaïque gagne en importance3 . Figure 21 : Puissance Eolienne (à gauche) et photovoltaïque (à droite) installée en France au 31/03/2011, en MW Ces deux modes de production sont contraints par un comportement physique spécifique, lié aux conditions climatiques, impliquant une intermittence forte et des contraintes de production qui doivent être prises en compte. Le photovoltaïque peut quant à lui constituer un système intégré au bâtiment, et représenter une solution localisée de production d’énergie. De la même façon le développement de la cogénération et de la micro-cogénération modifie les caractéristiques de production de l’électricité. L’ensemble de ces aspects complexifie l’étude des aspects énergétiques et environnementaux des bâtiments et des quartiers. Chacun des éléments constituant le système à étudier, interagissant avec un grand nombre d’autres éléments, possède ses lois et caractéristiques de comportement propres, qui influeront sur le bilan global du système. L’émergence de solutions énergétiques localisées, ainsi que le concept de bâtiment à énergie positive rendent fondamentale l’étude précise des comportements des différents systèmes. L’importance de l’électricité et la complexité du fonctionnement des infrastructures qui y sont liées motivent le développement des aspects dynamiques du modèle développé ici.