Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
De nombreux pays du monde entier se sont engagés à atteindre la neutralité climatique d'ici 2050. Pour les systèmes de construction et d'énergie de ces pays, cela signifie une transition rapide des énergies fossiles vers les énergies renouvelables. A cela s'ajoutent des liens mutuels beaucoup plus forts et une interaction permanente entre différents secteurs et leurs systèmes : du parc immobilier à l'industrie en passant par la mobilité, de l'électricité à la chaleur et aux combustibles et carburants synthétiques. Les systèmes d'automatisation les plus divers règlent la production, le transport, le stockage, la transformation et l'utilisation de l'énergie. Et c'est justement le parc immobilier qui peut offrir une grande flexibilité au système énergétique grâce à une gestion contrôlée de la charge, des batteries et une capacité de stockage thermique. De tels systèmes interactifs nécessitent toutefois une vision globale et systémique – et doivent être planifiés en conséquence pour que l'objectif zéro net soit abordable et que la sécurité d'approvisionnement soit garantie comme jusqu'à présent.
Matthias Sulzer est chercheur dans le laboratoire «Urban Energy Systems» de l'Empa et au «Lawrence Berkeley National Laboratory» en Californie, où Michael Wetter travaille également dans le laboratoire «Building Technology and Urban Systems». Tous deux connaissent le secteur de l'énergie, tant en Suisse qu'aux États-Unis. «En raison de la complexité et de la flexibilité requise des futurs systèmes énergétiques ainsi que de l'urgence d'un changement, les processus de planification actuels ne sont pas adaptés», explique Matthias Sulzer. Malgré les efforts pour surmonter la «pensée en silo», le processus de planification des systèmes de bâtiment et d'énergie est encore organisé par discipline. Par exemple, un ingénieur développe le système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) d'un bâtiment sur la base des plans de l'architecte et en conformité avec les réglementations en vigueur. La conception du système est transmise aux techniciens en domotique, qui tentent à leur tour de trouver un système d'automatisation adapté aux spécifications données. «Il y a peu ou pas d'interaction entre les disciplines pour concevoir des bâtiments ou des infrastructures énergétiques comme un système global. Souvent, seules les interfaces pour le passage d'une discipline à l'autre sont traitées», explique Matthias Sulzer, qui compare la démarche à une cascade qui s'écoule de manière linéaire dans une seule direction – vers le bas – et qui n'offre aucune possibilité de revenir à un niveau supérieur pour y apporter des améliorations au système global.
En collaboration avec des chercheurs de Berkeley et de l'Empa, Matthias Sulzer et Michael Wetter proposent donc un changement de paradigme dans la planification des systèmes de construction et d'énergie. L'inspiration leur est venue d'Alberto Sangiovanni-Vincentelli, un éminent scientifique en électronique et en informatique de l'Université de Californie à Berkeley, dont les travaux ont largement contribué à ce que la fabrication de puces électroniques passe, dans les années 1980, d'une planification et d'une production individuelles et manuelles à une production hautement automatisée. Dans une étude commune, ils discutent de la manière dont le «Platform-based Design» développé par Alberto Sangiovanni-Vincentelli, qui a été le facteur déterminant de cette évolution dans l'industrie des puces électroniques, peut également être appliqué à la planification des systèmes énergétiques. Les éléments clés de ce concept sont les différents niveaux d'abstraction auxquels les systèmes sont analysés et optimisés de manière globale, et qui s'influencent mutuellement. En même temps, des modèles universels, mais combinables individuellement, sont créés à chaque niveau et indiquent comment spécifier et construire un système.
«Lors de la planification de bâtiments et de systèmes énergétiques, de nouveaux modèles sont aujourd'hui créés au cas par cas afin de mieux comprendre et évaluer ce qui existe ou ce qui est prévu», explique Michael Wetter, en parlant d'une utilisation scientifique des modèles, dans laquelle les modèles tentent de décrire l'objet à analyser. «Mais que se passerait-il si les modèles ne se contentaient pas de représenter comment un objet va se comporter, mais spécifiaient également comment un objet doit être construit? Ainsi, les modèles seraient les plans qui peuvent être combinés de manière modulaire et qui spécifient clairement la conception et la fonctionnalité d'un système». Matthias Sulzer est convaincu que ce changement de mentalité vers une utilisation des modèles plutôt orientée vers l'ingénierie équivaudrait à un premier pas vers une transformation telle que celle que l'industrie des puces électroniques ou de l'automobile a connue il y a quelques décennies. «Ce changement de paradigme peut révolutionner nos processus de planification, de construction et d'exploitation et favoriser la numérisation et l'automatisation, indispensables pour atteindre nos objectifs ambitieux de décarbonisation.»
Le concept trouve une première application concrète dans le projet européen GOES («Geothermal-based Optimized Energy Systems»), qui sera lancé en 2023, dirigé par l'Empa et soutenu entre autres par l'Office fédéral de l'énergie OFEN. L'objectif du projet est de développer une première application de «Platform-based Design» à l'aide d'installations pilotes – notamment sur le campus de l'Empa à Dübendorf. Concrètement, cela signifie que les différents niveaux d'abstraction auxquels se déroule la prise de décision pour la conception de systèmes énergétiques urbains doivent être définis et que les interfaces doivent être standardisées.
Un objet de recherche – de nombreuses perspectives de recherche
Le nouveau champ de sondes géothermiques sur le campus de l'Empa, qui alimente les nouveaux bâtiments en chaleur et en froid, n'est pas seulement une installation pilote du projet européen GOES, mais aussi un objet de recherche du projet ARTS («Aquifer Reaction to Thermal Storage»). Au cœur d'ARTS se trouve la question de l'impact de l'utilisation d'accumulateurs de chaleur à sondes géothermiques sur le sol environnant, la nappe phréatique et les micro-organismes qui y vivent.
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