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Bâtiment > Les besoins d’innovation dans l’intégration et les systèmes


L’évolution des besoins, l’introduction de la production d’énergies renouvelables dans le bâtiment, renforcent la nécessité d’une approche intégrée, mobilisant des dispositifs d’intelligence et d’optimisation.



L’évolution des besoins d’énergie dans le bâtiment


D’ores et déjà, les technologies disponibles permettent de réduire très sensiblement les besoins en énergie liés au chauffage, et ne sont pas loin de permettre de les de réchauffement climatique accroissent les besoins de ventilation et de régulation thermique d’été.

Pour l’avenir, la production d’eau chaude sanitaire, d’une part, les besoins liés à l’électricité spécifique, d’autre part, vont devenir les éléments dominants des besoins énergétiques du bâtiment.

D’autant que l’augmentation de l’équipement des ménages comme des bureaux en matériels liés aux technologies de l’information et de la communication crée des besoins croissants d’énergie électrique. Ces équipements voient leurs usages s’élargir progressivement :
  • comme outils de travail dans les locaux tertiaires, avec des exigences de débit croissantes pour les réseaux ;
  • dans les locaux d’habitation, comme outils de loisirs mais aussi d’échanges sociaux, voire d’activités professionnelles avec le développement du télétravail, de formation avec l’e-éducation ou de santé.
Par ailleurs, la croissance du parc de véhicules électriques peut créer à terme un nouveau besoin d’électricité primaire significatif, ayant son propre rythme temporel.

Il nous faut donc apprécier les perspectives technologiques dans les bâtiments avec des besoins en énergie en forte évolution par rapport à la situation actuelle, en structure, peut-être en volume, et en répartition dans le temps.

Le besoin d’une approche systémique


Dans le cadre traditionnel, le bâtiment est uniquement consommateur d’énergie, alimenté en électricité par un branchement connecté au réseau national. Il dispose, en général, d’une deuxième source d’énergie (gaz, fioul, éventuellement réseau de chaleur). L’ensemble des besoins en énergie, hors véhicule, sont alimentés à l’une de ses sources, sans interactions entre eux et avec un minimum de régulation (le cas échéant des modulations jour-nuit avec une tarification adaptée ou des possibilités d’effacement pour l’électricité, une régulation thermostatique du chauffage).

L’objectif de réduire très sensiblement la consommation énergétique des bâtiments, couplée avec l’introduction de productions décentralisées d’énergie, essentiellement intermittentes et disséminées, conduit à une approche radicalement différente. Des gains énergétiques significatifs peuvent être apportés par les couplages entre les différents besoins et les différentes solutions technologiques.

Il faut en effet considérer simultanément :
  • les besoins de chauffage et de ventilation ;
  • les besoins de production d’eau chaude ;
  • les besoins de l’ensemble des appareils consommateurs d’électricité ;
  • les besoins d’alimentation du véhicule électrique ;
  • les possibilités de productions locales d’énergie installées (photovoltaïque, pompe à chaleur, etc.) ;
  • les éléments de stockage d’énergie disponibles (dont batteries) ;
  • les possibilités de régulation des besoins intérieurs en fonction de l’occupation des lieux ou des conditions météorologiques (éclairage, gestion des ouvertures, etc.).
La conception et l’exploitation du bâtiment doivent être considérées comme un tout, intégrant l’ensemble des activités qui s’y déroulent et les éléments énergétiques qui leur sont associés. L’objectif est donc celui d’un bâtiment économe en énergie, « intelligent », pas seulement consommateur mais aussi stockeur et producteur d’énergie.

Le caractère souvent intermittent des énergies renouvelables produites sur le bâtiment donnent une nouvelle acuité à la question du traitement des variations dans le temps de la production et de la consommation, et en particulier du traitement des pointes. Un bâtiment dit à énergie positive (BEPOS), c’est-à-dire qui produit en moyenne sur l’année plus d’énergie qu’il n’en consomme, n’est pas pour autant un bâtiment susceptible d’être en autarcie : selon les périodes, il est soit excédentaire (période d’ensoleillement en milieu de journée par exemple, pour un bâtiment d’habitation) ou déficitaire (pointe de consommation du soir en hiver) : il doit donc soit être connecté à un réseau plus large, notamment le réseau électrique national, soit disposer de capacités de stockage adaptées, soit les deux.

Il convient, sur ce point, de noter que cette approche globale donne la même valeur aux énergies produites et consommées et ne correspond donc pas à un optimum économique prenant en compte la différence de valeur de l’énergie entre périodes de pointe et périodes creuses.

Cependant, au regard de la diversité des bâtiments et des besoins dans les bâtiments, le cas par cas s’impose, sur la base d’une analyse de système, qui prenne environnement.

S’agissant d’abord de constructions neuves, mais aussi de réhabilitation, la conception architecturale doit être mobilisée et apporter sa contribution aux objectifs de performances, en faisant travailler dans une même équipe architectes et ingénieurs : elle intègre, dans le choix d’implantation, et donc l’exposition du bâtiment, et dans sa conception les éléments propres à assurer l’efficacité énergétique.

L’émergence de l’architecture bioclimatique participe de cette approche ; elle illustre dans le même temps que les nouvelles normes de performance thermiques des bâtiments ne conduisent pas à une uniformisation des constructions et laissent la place à une création architecturale diversifiée et adaptée à son environnement.

Les innovations d’intégration et d’interconnexion entre les composants


Autant et peut-être même plus que de progrès technologiques sur les différents composants, le bâtiment a besoin, pour être traité dans une approche systémique, d’innovations importantes afin de transformer l’ensemble des composants en un système, construit et exploité comme tel.

Les pistes suivantes sont ouvertes et susceptibles de progrès significatifs dans les années qui viennent.

=> Mesurer la performance énergétique globale d’un bâtiment
La capacité à mesurer la performance énergétique d’un bâtiment reste un verrou scientifique fort mais susceptible d’être dépassé à l’horizon de la présente réflexion. La seule constatation de la consommation moyenne d’énergie sur une certaine période est en effet un élément très globalisant, qui ne permet pas de faire la part de la performance du bâtiment liée aux effets des variations des conditions climatiques ou usages de celle liée aux comportements des occupants ; or ces derniers effets sont d’autant plus importants, en valeur relative, que la consommation intrinsèque du bâtiment est plus faible. Les résultats de cette mesure permettraient à la fois de vérifier la performance des bâtiments neufs au moment de leur livraison et de consolider le diagnostic énergétique du bâti existant.

=> Suivre ce qui se passe dans le bâtiment
Introduire de « l’intelligence » dans le fonctionnement d’un bâtiment passe par la disposition de données sur la situation des différentes composantes et des différentes productions ou consommations d’énergie. D’où la nécessité de généraliser des capteurs dans le bâtiment, intégrant les développements en cours dans le domaine de la métrologie environnementale (capteurs de température, mais aussi d’éclairage, de qualité de l’air, de ventilation, de production et de consommation d’énergie, de présence de personnes, etc.). La fiabilité et un faible coût seront la double condition du succès de ces capteurs, condition qui devrait être remplie largement avant 2030.

Pour intégrer ces données dans un système unique, l’implantation d’un réseau domiciliaire est la solution à la fois la plus complète, la plus intégratrice et la plus prometteuse. Les technologies (fibre plastique) et les protocoles existent et peuvent atteindre très rapidement des coûts compétitifs.

=> Assurer un pilotage d’ensemble des fonctions
Disposer et centraliser des données trouve pleinement son intérêt si elles sont utilisées pour des fonctions de pilotage automatisé, permettant de réguler les différents appareils et dispositifs du bâtiment, avec les couplages entre eux nécessaires et l’intégration de données exogènes accessibles par Internet. Il s’agit, par exemple, de faire dépendre le chauffage ou la position des ouvertures, de l’occupation du bâtiment et des prévisions météorologiques ou de mobiliser les capacités de stockage locales d’énergie en fonction des consommations prévisibles et de la production d’énergies renouvelables localisées.

Des dispositifs de contrôle-commande en temps réel, dotés de capacités d’apprentissage, sont à la portée des connaissances et des technologies d’aujourd’hui mais doivent être développés. Outre leur efficacité, ces dispositifs doivent être transparents pour ceux des usagers, sûrement la majorité, qui souhaitent avoir à intervenir le moins possible. Ils doivent en outre être extrêmement fiables, l’interruption de service étant particulièrement mal ressentie.

La question est ouverte sur le niveau de cette régulation et le périmètre sur lequel elle s’exerce. L’échelle individuelle n’est pas nécessairement optimale ; les bases plus larges d’un certain collectif semblent préférables, car les fluctuations y sont, en terme relatif, atténuées. Dans ce cadre, le niveau régional ou national peut considérer ces sous-ensembles comme un consommateur unique : les réseaux étant dimensionnés par le niveau de pointe, la limitation de la sollicitation du réseau national en période de pointe, par de la régulation décentralisée de la demande, couplée à du stockage, est un élément d’économie très important.

La position des acteurs français


La position des entreprises françaises est variable selon les métiers concernés, leur degré d’ouverture à la concurrence internationale et leur facilité de délocalisation.

Dans la production de composants et de systèmes, de grandes entreprises françaises sont présentes par exemple dans le secteur du ciment et de ses dérivés (Lafarge notamment), du verre (Saint-Gobain) ou de l’appareillage électrique (Schneider Electric). Cependant, sur des champs très concurrentiels, dans lesquels notre pays s’est globalement engagé avec retard, l’industrie française a des faiblesses importantes ; c’est donc dans l’innovation que peuvent être cherchées les voies d’un développement. Par exemple, dans l’éclairage, la France est absente du marché international majoritairement alimenté par Philips Lighting, Osram, filiale de Siemens et General Electric Lighting. Toutefois, l’apparition des LED, résultat de l’irruption de l’électronique dans l’éclairage, marque une véritable révolution technologique qui s’accompagne également de changements substantiels dans la structure de l’industrie : de nouveaux acteurs, majoritairement asiatiques, sont bien positionnés sur ce nouveau segment, qu’il s’agisse de géants de l’électronique, comme Panasonic, Sharp, Samsung, Toshiba, ou de spécialistes des semi-conducteurs (Nichia, Cree, Toyoda Gosei, etc.). Cette évolution du secteur de l’éclairage est une opportunité de développement pour des PME françaises innovantes.

Les travaux liés à la construction, à l’entretien et au fonctionnement du bâtiment sont, par nature, non délocalisables. Notre pays possède quelques très grands groupes de rayonnement mondial dans le BTP (Vinci, Bouygues Construction et Eiffage) comme dans les services liés à l’énergie et à l’environnement (Veolia, GDF SUEZ, EDF), pour lesquels les nouveaux enjeux énergétiques et environnementaux du secteur sont à l’origine d’opportunités et d’un regain d’intérêt. Il existe également un abondant tissu de PME et d’artisans, ce qui n’exclut pas des besoins de formation et de structuration de filières, indiqués dans le chapitre suivant.

Ces dernières années, la recherche française s’est à nouveau fortement investie dans des travaux susceptibles d’alimenter l’innovation dans le secteur du bâtiment, en liaison avec le volet « recherche » du Grenelle de l’environnement : au côté du CSTB, acteur traditionnel du secteur, on trouve notamment le CNRS, le CEA, les laboratoires des écoles (ENPC ParisTech, Écoles des Mines, Écoles Centrales notamment) et de nombreuses équipes universitaires. Plusieurs programmes de l’ANR y ont contribué et y contribuent encore, portant notamment sur les problématiques d’énergie dans le bâtiment ou de la ville durable. L’Alliance européenne sur la recherche en énergie (ANCRE), dont les membres fondateurs sont le CEA, le CNRS et l’IFP Énergies nouvelles, joue un rôle coordinateur et a un volet important consacré spécifiquement au bâtiment.