Un changement de paradigme dans la planification énergétique

Communiqué de l'Empa, Stephan Kälin

Pour répondre aux exigences complexes des futurs systèmes de bâtiments et d'énergie, le chercheur d'Empa, Matthias Sulzer, et le chercheur du Berkeley Lab, Michael Wetter, proposent un changement de paradigme dans la planification de ces systèmes. Ils appellent à un processus de planification plus automatisé et basé sur des modèles, comme cela est courant depuis longtemps dans les industries des puces informatiques et de l'automobile.

Le nouveau campus d'Empa à Dübendorf et le champ de stockage d'énergie thermique récemment achevé avec 144 forages constituent une installation pilote dans le projet européen GOES. L'objectif du projet est de développer une application initiale pour la conception basée sur une plateforme. Photo : Empa.

De nombreux pays dans le monde se sont engagés à atteindre la neutralité carbone d'ici 2050. Pour les systèmes de bâtiments et d'énergie de ces pays, cela signifie un passage rapide des combustibles fossiles aux énergies renouvelables. De plus, il y aura une interconnexion beaucoup plus forte et une interaction permanente entre différents secteurs et leurs systèmes : entre le parc immobilier, la mobilité et l'industrie, ainsi qu'entre l'électricité, la chaleur et les carburants synthétiques. Une grande variété de systèmes d'automatisation et de contrôle gère la production, le transport, le stockage, la conversion et l'utilisation de l'énergie. Le parc immobilier, en particulier, peut offrir une flexibilité de charge massive avec la gestion de la demande, les batteries et la capacité de stockage thermique. Cependant, de tels systèmes interactifs nécessitent une vision holistique et systémique - et doivent être conçus en conséquence afin que l'objectif de zéro émission nette soit abordable tout en maintenant la sécurité de l'approvisionnement.

Matthias Sulzer est chercheur dans le laboratoire des Systèmes énergétiques urbains d'Empa et au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Michael Wetter est chercheur au département des Technologies de construction et des Systèmes urbains du Lawrence Berkeley National Laboratory. Tous deux connaissent bien les secteurs de l'énergie en Suisse et aux États-Unis et déclarent : « Étant donné la complexité et la flexibilité requise des futurs systèmes énergétiques, ainsi que l'urgence de leur transformation, les processus de planification actuels sont inadéquats. » Malgré les efforts pour surmonter la « pensée en silo », le processus de planification des systèmes de bâtiments et d'énergie reste organisé par discipline. Par exemple, un ingénieur développe le système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) d'un bâtiment en fonction des plans de l'architecte et des réglementations en vigueur. La conception du système est ensuite transmise à l'ingénieur en automatisation des bâtiments, qui, à son tour, tente de trouver une solution d'automatisation appropriée pour les spécifications données. « Il y a une interaction insuffisante entre les disciplines pour concevoir des bâtiments ou des infrastructures énergétiques comme des systèmes holistiques. Souvent, seules les interfaces pour le transfert d'une discipline à une autre sont abordées », explique Sulzer, comparant la procédure à une cascade qui s'écoule linéairement dans une direction – vers le bas – sans possibilité de revenir à des niveaux supérieurs et d'introduire des améliorations pour le système global.

Passer du travail manuel à l'automatisation

Avec des chercheurs de Berkeley et d'Empa, Sulzer et Wetter plaident pour un changement de paradigme dans le processus de planification et de construction des systèmes énergétiques des bâtiments et des quartiers. Leur inspiration vient d'Alberto Sangiovanni-Vincentelli, un éminent spécialiste de l'électronique et de l'informatique à l'Université de Californie à Berkeley. Son travail a grandement contribué à la transition de la fabrication des puces d'une conception et production artisanales à des processus hautement automatisés dans les années 1980. Une étude conjointe explore comment la conception basée sur une plateforme de Sangiovanni-Vincentelli, cruciale dans l'industrie des puces, peut être appliquée à la planification des systèmes énergétiques. Les éléments centraux de ce concept impliquent différents niveaux d'abstraction où les systèmes sont analysés et optimisés de manière holistique et interactive. À chaque niveau, des modèles universellement applicables mais individuellement combinables sont créés, déterminant comment un système sera spécifié et construit.

« Dans la planification des bâtiments et des systèmes énergétiques aujourd'hui, de nouveaux modèles sont créés au cas par cas pour mieux comprendre et évaluer les systèmes existants ou prévus », explique Michael Wetter, faisant référence à une approche scientifique où les modèles décrivent l'objet analysé. « Mais que se passerait-il si les modèles n'étaient pas seulement utilisés pour comprendre comment un objet se comportera, mais devenaient également la spécification de la façon dont un objet devrait être construit ? De cette manière, les modèles servent de plans qui spécifient clairement la conception et la fonctionnalité d'un système. » Sulzer estime que ce passage à une approche plus axée sur l'ingénierie des modèles serait la première étape vers une transformation similaire à celle qu'ont connue les industries des puces et de l'automobile il y a quelques décennies. « Ce changement de paradigme peut révolutionner nos processus de planification, de construction et d'exploitation et promouvoir la numérisation et l'automatisation essentielles à la réalisation de nos objectifs ambitieux de décarbonisation. »

Projet pilote à Empa

La première application concrète du concept est le projet européen GOES (« Systèmes énergétiques optimisés à base géothermique »), lancé en 2023 et dirigé par Empa, avec le soutien, entre autres, de l'Office fédéral de l'énergie (OFEN) suisse. Le projet vise à développer une application initiale pour les conceptions basées sur une plateforme en utilisant des installations pilotes, y compris une sur le campus d'Empa à Dübendorf. Concrètement, cela implique de définir les différents niveaux d'abstraction auxquels la prise de décision pour la conception des systèmes énergétiques urbains se produit et de standardiser les interfaces.

Un objet de recherche

Le nouveau champ de stockage d'énergie thermique sur le campus d'Empa, qui fournit le chauffage et la climatisation des nouveaux bâtiments, n'est pas seulement une installation pilote dans le projet européen GOES, mais également l'objet de recherche dans le projet ARTS (« Réaction des aquifères au stockage thermique »). ARTS se concentre sur la question de savoir comment l'utilisation du stockage d'énergie thermique par forages affecte le sol environnant, les eaux souterraines et les micro-organismes qui y vivent.