Concept énergétique résidentiel pour un nouveau quartier d'habitation

Le défi

Lauber IWISA, un bureau de techniques du bâtiment du Haut-Valais, s’est associé à Sympheny, à la Haute école des sciences appliquées de Leipzig et à l’auteur Simon Bach pour planifier l’approvisionnement énergétique d’un nouveau quartier résidentiel suisse : dix immeubles collectifs et six maisons individuelles, soit environ 12’000 m² de surface chauffée. Sur fond de préoccupations d’approvisionnement, de hausse des prix de l’énergie et de l’objectif de neutralité carbone 2050, le projet devait déterminer les coûts annuels, les émissions annuelles en équivalent CO₂ et le degré d’autarcie pour plusieurs options de fourniture.

La partie difficile était d’ajuster les paramètres à la structure du modèle. De nombreuses variables d’entrée façonnent le résultat, et le quartier disposait d’un large éventail de concepts de fourniture plausibles : centralisé versus décentralisé, électrique versus combustion, mono-source versus couplé sectoriellement. Sélectionner les paramètres des sources, du stockage et des technologies de conversion de manière à produire des résultats crédibles et comparables était une tâche de modélisation non triviale.

Comment Sympheny a été utilisé

L’équipe a utilisé Sympheny pour modéliser l’ensemble du quartier et laisser l’optimisation système faire émerger les options à plus faible coût et plus faible CO₂ sur trois variantes explicites : Variante 1, pompes à chaleur air décentralisées dans chaque bâtiment ; Variante 2, captage centralisé sur nappe phréatique avec réseau de distribution et pompes à chaleur sur nappe décentralisées ; Variante 3, une centrale de combustion biomasse centrale alimentant un réseau de chauffage à distance (CAD) avec sous-stations de transfert par maison. Des technologies moins courantes (hydrogène, électrolyseurs, eaux usées comme source de pompe à chaleur) ont aussi été passées au crible, l’hydrogène étant écarté pour des raisons de coûts.

• Optimisation à l’échelle du quartier : a modélisé les 16 bâtiments comme un système unique plutôt qu’une série de calculs autonomes, de sorte que les coûts de l’infrastructure centrale soient dimensionnés par rapport à la demande partagée.
• Ensemble de candidats ouvert sur les technologies : a évalué l’air, la nappe phréatique et la biomasse aux côtés d’options moins courantes comme l’hydrogène et la chaleur des eaux usées, laissant l’algorithme plutôt que la convention décider de ce qui survit.
• Vue de compromis à trois critères : a présenté chaque variante sur les coûts, l’équivalent CO₂ et l’autarcie ensemble, de sorte que le choix d’ingénierie puisse être fait sur les trois critères, et non sur le seul coût.

Résultat

Sur les coûts annuels et l’équivalent CO₂, les deux variantes à pompe à chaleur ne diffèrent que légèrement : le capex plus élevé des pompes à chaleur sur nappe phréatique est compensé au fil du temps par des coûts d’électricité inférieurs à ceux de l’air. La variante biomasse, soit la combustion de plaquettes de bois, qui bat la combustion de pellets à la fois sur les coûts et le CO₂, présente les coûts annuels les plus faibles des trois.

C’est l’autarcie qui change la recommandation. La Variante 3 (biomasse) a une autarcie nettement plus faible que les options à pompe à chaleur, ce qui signifie que ses coûts annuels dépendent fortement des prix futurs des plaquettes de bois. Une fois les coûts, l’équivalent CO₂ et l’autarcie pesés ensemble, la pompe à chaleur centrale sur nappe phréatique l’emporte : des coûts annuels légèrement supérieurs, mais la plus haute autarcie des trois et la moindre exposition aux prix des vecteurs énergétiques importés. C’est le modèle Sympheny qui a rendu la comparaison à trois critères praticable : l’algorithme a renvoyé directement les solutions à plus faible coût et plus faible CO₂ pour chaque variante.

Solutions optimales au sens de Pareto pour les trois variantes de fourniture. La biomasse (gris) est la moins chère sur les coûts annuels, mais plus faible sur l’autarcie ; la variante sur nappe phréatique l’emporte une fois l’autarcie prise en compte.