Un bâtiment qui pense à tout

Les bâtiments intelligents ajusteront bientôt d’eux mêmes leur consommation électrique aux fluctuations de la production éolienne et solaire. Une étude récente montre la faisabilité technique de cette approche, qui vise à réguler les systèmes de ventilation et de pompage sans nuire au confort. Arrêter certains appareils pour éviter la surcharge du réseau est devenu chose courante aux Etats-Unis, mais de nouveaux systèmes automatisés peuvent encore optimiser le processus.

Les panneaux photovoltaïques se multiplient sur le toit des maisons, des éoliennes sont installées sur les crêtes des collines ou dans des parcs offshore comme ceux de la mer du Nord ou de la mer Baltique… L’éolien et le solaire représentent à ce jour respectivement 7 % et 2 % environ de la production électrique en Allemagne, mais ils restent des sources d’approvisionnement peu fiables en raison des aléas climatiques. Ces dernières années, certains parcs éoliens situés en mer du Nord ont été arrêtés à plusieurs reprises afin d’éviter une surcharge du réseau local lorsque les vents étaient trop violents. Dans d’autres cas, le surplus de production a été exporté vers les pays voisins, qui n’en avaient pas réellement besoin. Ce type de situation entraîne une baisse des prix pouvant même être synonyme de pertes pour les fournisseurs d’électricité, car ils doivent malgré tout s’acquitter des droits de transit.

batiment
Capable de réguler la climatisation et de stocker l’énergie dans des voitures électriques, le bâtiment du futur adaptera lui-même sa consommation à la production d’électricité verte.

A l’inverse, lorsque les vents faiblissent, le prix de l’électricité augmente car des centrales de relais doivent être mises en service pour compléter la production. Avec l’utilisation croissante d’énergie provenant de sources renouvelables, les contraintes pesant sur les réseaux électriques s’intensifient. L’Agence allemande de l’énergie estime qu’il faudra installer près de 3 600 km de nouvelles lignes en Allemagne d’ici 2020. Mais cela ne sera pas suffisant : pour aboutir à une plus grande transparence, à des modèles tarifaires plus flexibles et à une meilleure distribution de l’électricité, les réseaux devront devenir plus intelligents.

batiment intelligent

L’un des enjeux de demain réside également dans la création de nouveaux systèmes de stockage de l’énergie, capables d’emmagasiner le surplus de production lorsque les conditions météorologiques sont favorables et de réinjecter l’électricité dans le réseau, lorsque le vent faiblit ou que le ciel se couvre. Les véhicules électriques pourraient également être utilisés comme une énorme réserve d’énergie composée d’une multitude de batteries. Deux millions de véhicules électriques représenteraient ainsi une capacité de stockage de près de 40 GWh, soit autant que l’ensemble des centrales hydroélectriques à accumulation par pompage d’Allemagne.

Quand la consommation s’adapte à la production

chercheurs de Siemens
Pour économiser l’énergie sans nuire au confort, les chercheurs de Siemens développement des systèmes de gestion des bâtiments permettant de réguler leur consommation électrique.

Face à ces évolutions, une nouvelle solution se profile dans un tout autre domaine. Reposant sur un logiciel bien pensé, la technique du report de charge vise à optimiser la consommation d’électricité des bâtiments grâce à une meilleure gestion des équipements électriques : ils s’allument de préférence à un moment où l’éolien et le solaire produisent un surplus d’électricité, c’est-à-dire lorsque l’électricité est moins chère, et s’éteignent pendant la nuit ou lorsque la production éolienne est faible. Dans la logique actuelle, les centrales à gaz et à charbon sont mises en marche pour répondre à la consommation des ménages, des usines et des bureaux. A l’avenir, ce sera l’inverse : les bâtiments modifieront leur demande en électricité en fonction des disponibilités de la production. La consommation s’adaptera à la production.

En collaboration avec des experts de > Siemens Building Technologies (BT), une équipe de l’Université technique de Munich (TUM) a montré qu’il était relativement simple d’allumer et d’éteindre différents équipements dans plusieurs types de bâtiments. Les chercheurs ont étudié pendant plusieurs mois les données issues de centres de gestion technique de bâtiments et portant sur toutes sortes d’équipements, depuis l’activité du système de ventilation et des pompes à eau jusqu’à la température des pièces. Ils se sont par exemple demandé à quel rythme la température augmente dans un bureau construit en matériaux légers une fois que  la climatisation est coupée. « La grande question pour nous, c’était de savoir pendant combien de temps il est possible d’éteindre certains équipements sans altérer le confort d’utilisation d’une pièce ou d’un bureau », explique Timm Rössel, assistant de recherche au département de génie climatique et domotique de la TUM. Les normes allemandes précisent que pour rester agréable à vivre, la température d’un bureau ne doit pas chuter en dessous de 21°C. Timm Rössel et son collègue Johannes Jungwirth, du département de gestion de l’énergie et génie des applications, ont analysé quatre types de bâtiments : les bureaux et administrations, les hôpitaux, les piscines couvertes et les écoles.

Le report de charge offre des perspectives particulièrement intéressantes dans les bâtiments de bureaux. Avec un taux d’occupation normal, il est possible d’arrêter entièrement la ventilation d’un bureau pendant 30 minutes sans que l’atmosphère ne devienne étouffante et ce type de coupure peut même être répété plusieurs fois par jour. Idem pour la ventilation des garages souterrains. Les chercheurs ont également voulu connaître la fréquence, mais surtout la vitesse de fonctionnement des ascenseurs dans les bâtiments de bureaux. En diminuant la vitesse des ascenseurs plusieurs heures par jour en dehors des pics de fréquentation du matin et du soir, on pourrait réduire la consommation électrique d’environ 10 % sans entraîner de gêne pour les usagers. Les possibilités d’amélioration sont également importantes dans le cas de bâtiments dotés d’un réseau d’eau non potable pour l’alimentation des chasses d’eau : il serait possible d’actionner les pompes avec un décalage de 12 heures sans aucun risque que les réservoirs se vident. Dans les hôpitaux, les efforts d’économie d’énergie pourraient se concentrer sur le matériel de stérilisation des instruments chirurgicaux. Pour les bâtiments abritant une piscine, le plus grand potentiel réside dans les compresseurs des systèmes de déshumidification. Ils peuvent en fait être coupés pendant plusieurs heures, tout comme les dispositifs de purification par UV et par ozone.

« Cette étude est cruciale pour nous car elle montre que les grands bâtiments présentent un potentiel de report de charge intéressant », résume Joachim Kiauk, chef de projet en charge de cette étude au sein de Siemens BT à Zoug, en Suisse. « Siemens travaille avec la TUM pour développer des outils logiciels qui serviront bientôt à gérer les installations techniques des bâtiments en fonction de l’électricité disponible. »

Depuis 2011, les fournisseurs d’énergie allemands sont tenus de proposer des tarifs variables évoluant au cours de la journée en fonction de l’offre et de la demande. Bien que le système ne permette pas encore de variations à très court terme, les spécialistes estiment que dans un futur proche, le prix de l’électricité changera toutes les heures voire toutes les 15 minutes. Les systèmes de gestion technique des bâtiments arrêteront ou limiteront l’utilisation de certains équipements quand le prix de l’énergie est élevé, par exemple le matin ou le soir lorsque les sèche-cheveux, grille-pain et autres bouilloires augmentent la demande en électricité. Un système d’alerte minute par minute permettrait de rallumer pompes et ventilateurs de préférence lorsque les prix diminuent en raison d’une forte production d’origine éolienne et solaire.

De la température des bureaux au volume d’air ventilé, plusieurs centaines de paramètres sont recueillis en permanence par les systèmes modernes de gestion technique des bâtiments. Pour que le logiciel de report de charge soit capable d’établir un lien entre toutes ces données, les chercheurs de TUM affinent les paramètres de calcul en se basant sur des simulations. « Dans l’idéal, il faudrait pouvoir intégrer ces algorithmes dans les technologies existantes comme notre système Desigo », ajoute Joachim Kiauk, de Siemens BT. Reste à savoir comment les produits Siemens intégreront les connaissances nécessaires. « Il faut commencer par la recherche de base », explique Christoph Hielscher, responsable du développement des applications Smart Grid chez Siemens Energy. « Notre but est de rendre les bâtiments intelligents : ils doivent être capables de savoir la vitesse à laquelle ils se refroidissent, la quantité de chaleur dont ils ont besoin, et le moment où ils peuvent éteindre certains appareils pour diminuer leur consommation. Chaque bâtiment est unique. »

système de gestion de bâtiment
Les futurs systèmes de gestion des bâtiments analyseront en temps réel des centaines de paramètres afin d’ajuter la consommation à l’offre d’électricité

L’effacement de la consommation

bâtiment intelligent schéma

Aux Etats-Unis, la gestion de la charge du réseau est une problématique bien connue depuis des années. Mais l’intérêt n’est pas tant de gérer les fluctuations de la production que de pouvoir « effacer » la consommation électrique. Dans ce pays, les centrales électriques et les infrastructures parfois vieillissantes sont régulièrement poussées aux limites de leurs capacités, ce qui pose problème notamment en été lorsque des millions de personnes allument leur climatisation. Pour éviter les goulots d’étranglement, les fournisseurs d’électricité cherchent à inciter certains clients à ne pas consommer d’électricité sur les périodes de pointe : c’est l’effacement de la consommation. Par exemple, les particuliers acceptant d’éteindre leur climatisation pendant plusieurs jours de grande chaleur sont récompensés par un tarif plus bas. La même approche s’applique aux industriels et aux entrepôts réfrigérés. Et la précision croissante des prévisions météorologiques rendant désormais possibles des alertes à court terme, les fournisseurs peuvent informer les clients concernés par e-mail ou par téléphone la veille seulement. Près de 80 % des consommateurs ayant opté pour l’effacement sont directement informés de cette manière. Cela peut sembler laborieux, mais un service d’appel national revient bien moins cher que la construction de nouvelles centrales ou infrastructures réseau.

Souhaitant développer les systèmes automatisés de gestion de la charge, Siemens a acquis la société SureGrid, qui développe des logiciels destinés aux ordinateurs centraux et aux systèmes de communication. L’ordinateur central de SureGrid, situé à Austin, au Texas, est capable d’accepter la requête d’un fournisseur pour une certaine quantité d’électricité et de répartir automatiquement cette quantité entre les bâtiments d’une région. Dans une organisation classique, le fournisseur doit prévoir davantage d’effacement que nécessaire car il n’a aucune garantie que le consommateur averti par e-mail se souviendra d’éteindre son climatiseur. Un système automatisé résout ce problème en rendant les calculs plus fiables et plus sûrs.

L’automatisation offre également un autre avantage. Les fournisseurs d’électricité se basent actuellement sur des prévisions météorologiques pour estimer grossièrement le moment et la durée de l’effacement. Là encore, ils appliquent une marge supplémentaire et demandent aux consommateurs d’éteindre leurs équipements pendant plusieurs heures – généralement plus longtemps que nécessaire. Un système automatisé permettrait aux fournisseurs de réagir juste avant qu’un goulot d’étranglement ne se forme, ce qui réduirait la durée de l’effacement.

Il est vrai que le marché de l’énergie américain diffère largement du marché européen. Les Etats-Unis sont principalement confrontés à des goulots d’étranglement sur le réseau, tandis que la problématique européenne concerne les fluctuations de la production éolienne et solaire. Mais les Etats-Unis se dirigent eux-aussi vers des bâtiments plus intelligents et une consommation énergétique optimisée par l’automatisation de la gestion de charge. « La prochaine étape serait de mettre en œuvre une technologie semblable à celle du projet de la TUM : un système très flexible et réactif par rapport au prix de l’électricité », conclut Christoph Hielscher. Les avantages sont évidents. Aujourd’hui, l’effacement se limite à éteindre la climatisation au détriment des usagers, alors qu’un système de gestion intelligent pourrait plutôt choisir de réduire la vitesse des ascenseurs.

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Tim Schröder