Utilisation rationnelle de l`énergie et des énergies renouvelables de

Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils SA - 2037 Montezillon
Immissioni - emissioni
Association VAS - Verdi-Ambiente-Societa
Milano 14 dicembre 2004
Une réponse efficace aux émissions polluantes :
L'utilisation rationnelle de l'énergie
et des énergies renouvelables de proximité
Bernard Matthey, Dr ès Sciences, SWISSOLAR
CH - 2037 MONTEZILLON - NEUCHATEL - SUISSE
Résumé
Dans le domaine de la construction, la diminution des émissions polluantes et donc des
immissions, passe par 3 types de mesures, à savoir :
- Diminution des besoins en chaleur, en froid et en électricité grâce à une conception
architecturale adaptée au climat et surtout par une isolation renforcée dépassant largement
les standards actuels.
- La production de chaleur et de froid par des "machines" thermiques ayant un très bon
rendement (combustion avec condensation, pompes à chaleur à gaz, à diesel ou électrique).
- La mise en valeur de ressources disponibles localement : solaire pour l'eau chaude, sondes
en terre ou nappe souterraine pour le froid d'été et l'alimentation de pompes à chaleur en
hiver, énergie des déchets, biomasse, solaire photovoltaïque connecté ou non au réseau,
etc.
Une gestion rationnelle de l'énergie combinant ces 3 approches en fonction de la nature de
l'objet construit (ancien, neuf, industriel, habitat, etc.) est à même de ramener les
consommations spécifiques à une fraction des consommations actuelles. Des exemples,
malheureusement trop peu nombreux, sont là pour le montrer.
Adresse de l'auteur :
Bernard Matthey Ingénieurs-Conseils S.A.
CH-2037 MONTEZILLON-NEUCHATEL
e-mail : [email protected]
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Trois piliers incontournables
La réduction des émissions polluantes dans les domaines de l'habitat et de l'industrie passe par
une diminution drastique de la consommation d'énergie (combustible, électricité). Elle repose
sur 3 piliers, à savoir :
-
La qualité de l'architecture et de l'enveloppe du bâtiment;
-
Le choix et l'efficacité (le rendement) des systèmes de production de chaleur et (ou) de froid;
-
La mise en valeur de ressources énergétiques disponibles à proximité du site.
C'est bien la combinaison de ces 3 domaines, par le talent et les compétences d'un architecte,
d'un ingénieur chauffage-climatisation et d'un géologue connaissant bien l'énergie, avec la
volonté d'un maître d'ouvrage conscient des problèmes énergétiques, qui permettra d'amener à
presque zéro les émissions générées par un objet construit neuf ou rénové. Les expériences
accumulées par les constructeurs du nord de l'Europe, sur pression il est vrai des Etats
prescripteurs, sont là pour le démontrer
On sait aujourd'hui construire un immeuble d'habitation dont la consommation est près de dix
fois inférieure à celle qu'elle était vers 1970, c'est-à-dire juste avant la première crise pétrolière.
Paradoxe : les bâtiments construits aujourd'hui en Europe du Nord consomment souvent moins
d'énergie de chauffage que ceux des pays du Sud. Une analyse a révélé par exemple qu'en
Suisse, c'est-à-dire avec la même législation, la consommation spécifique d'énergie de
chauffage des bâtiments construits de 1990 à 2000 était la plus élevée au Tessin, alors que
c'est en Appenzell, région nettement plus froide, qu'elle était la plus faible.
En effet, dans les pays froids, l'insuffisance d'isolation se traduit rapidement par des dépenses
importantes, au Sud en revanche, les effets financiers d'une mauvaise enveloppe seront
beaucoup moins sensibles. A protection thermique égale, la consommation d'énergie de
chauffage d'un immeuble au Sud des Alpes devrait donc être de 30 à 50 % inférieure à ce
qu'elle serait au Nord des Alpes.
Architecture et enveloppe du bâtiment
Le voyageur contemporain s'émerveille de la beauté de l'architecture des régions qu'il traverse :
Unité des couleurs, qui sont celles des matériaux disponibles dans le pays, équilibre des
formes, résultant de la topographie et harmonie des façades bien orientées pour récupérer la
chaleur du soleil ou s'en protéger. Les contraintes énergétiques y sont pour beaucoup, les
bâtiments datant d'une époque où le transport des matériaux se faisait avec des chevaux ou
des bœufs et le chauffage avec du bois rare et coûteux.
L'igloo de l'esquimau est maintenant une baraque en bois chauffée à l'électricité et la tente du
bédouin un gratte-ciel climatisé gaspilleur d'eau et d'électricité.
Un retour, même modeste, aux grands principes de l'architecture vernaculaire, constitue
certainement la première démarche de l'architecte qui souhaite freiner les besoins d'un bâtiment
moderne en chauffage et en climatisation.
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L'apparition d'isolants thermiques performants (mousses, fibres) à la fin des années cinquante a
permis de corriger la forte conductivité thermique des matériaux contemporains (béton, brique,
ciment). Plus récemment, l'apparition des verres soudés avec couche sélective a permis de
diviser pratiquement par 3 la déperdition par les fenêtres. Conséquence aussi de l'utilisation de
ces nouveaux matériaux : une amélioration considérable du confort.
Conséquence : On admet maintenant qu'il est raisonnable de placer 25 cm d'isolation dans une
toiture (on se protège du froid, mais surtout du chaud) et 18 à 20 cm dans les murs.
La combinaison d'une architecture climatique s'inspirant de l'architecture vernaculaire avec
l'utilisation judicieuse, mais généreuse, des isolants modernes, permet de réduire
considérablement la consommation d'énergie. C'est le premier pilier dont la responsabilité
incombe d'abord à l'architecte.
Les systèmes de production de chaleur et de froid
La combustion reste le système le plus courant pour transformer un combustible en chaleur.
L'amélioration du rendement passe entre autres par une très bonne isolation de la chaudière,
un abaissement de la température des fumées et surtout la récupération par condensation de la
chaleur latente de la vapeur d'eau dégagée par les gaz de fumées.
Simultanément, l'abaissement de la température des circuits de distribution, principalement des
retours, diminue les pertes accroissant la condensation.
Dans le cas où l'on utilise une pompe à chaleur, l'abaissement des températures nominales de
distribution doit être inférieure à 40°C si l'on veut que son coefficient de performance soit
intéressant. Il faut rappeler ici que si les marchands d'électricité et de pompes à chaleur
annoncent que celles-ci ne créent pas d'émissions polluantes, cette affirmation n'a de sens que
si l'électricité est d'origine hydraulique ou nucléaire. Dans le cas où l'électricité est produite par
une centrale alimentée au charbon, au gaz ou au diesel, il est évident que les émissions sont
déplacées sur le site de la centrale thermique et que le rendement réel de la pompe à chaleur
pourra être inférieur à celui d'une bonne chaudière (figure 2).
On trouvera à la figure 3 un fac-simile d'une fiche d'information de l'Association ANIME
(animenergie.ch), établie par l'auteur, qui comptabilise très précisément les émissions
polluantes des différents systèmes de production de chaleur. Ce document devrait constituer la
base de la prise de décision pour le choix d'un système de production de chaleur.
Dans les bâtiments industriels et administratifs, mais aussi dans l'habitat lorsque la maison est
bien isolée, le renouvellement d'air consomme une part d'énergie très significative. En créant
une ventilation contrôlée double flux avec récupération de la chaleur (échangeur à plaques ou
rotatif) on améliore encore à la fois le bilan énergétique de bâtiment mais aussi l'hygiène de
l'air. La figure 4 donne le bilan énergétique comparé d'un immeuble locatif de 7 logements ou
sans ventilation double flux.
Dans le cas de bâtiments respectant le label Minergie (norme suisse) ou "Solaire passif" (norme
allemande), le contrôle du renouvellement d'air est pratiquement incontournable. Précisons que
l'énergie nécessaire aux ventilateurs de pulsion et d'extraction ne représente qu'une fraction de
l'énergie ainsi récupérée.
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Enfin, l'équilibrage hydraulique et aéraulique des installations constitue un élément déterminant
dans la bonne gestion de l'énergie. Fournir la prestation demandée, mais pas davantage, là et
quand elle est nécessaire, constitue la règle de base d'une bonne gestion énergétique :
Ventilations restant en service durant les jours fériés et les week-ends, locaux chauffés à plus
de 21°C en hiver ou refroidis à l'excès en été, locaux chauffés à 25°C pour que d'autres soient
au moins à 20°C sont des sources trop souvent observées de gaspillage et de pollution.
Mise en valeur des ressources énergétiques locales
La démarche est nouvelle et sans doute la plus difficile à intégrer dans l'artisanat et l'industrie
du bâtiment parce qu'elle fait appel à des compétences auxquelles on ne pense pas
spontanément au moment où on planifie un immeuble. C'est en effet un forestier qui dira si l'on
peut utiliser du bois,un hydrogéologue si la nappe souterraine pourra fournir du froid en été et
un employé de la commune qui saura si des rejets thermiques sont disponibles à proximité.
C'est donc au maître de l'ouvrage et à l'architecte de se poser dès le départ la question de
savoir si la nature ou une industrie sont à même de participer au bilan énergétique de son
bâtiment et de s'adresser aux bons spécialiste.
Le solaire thermique pour la production d'eau chaude sanitaire va maintenant de soi. En Israël
et à Barcelone par exemple, c'est pratiquement obligatoire pour tous les immeubles neufs ou
transformés. La Grèce est le pays d'Europe où la densité de capteurs solaires est la plus
élevée, la France un des pays les moins bien classés. Economie : 50 à 70% de besoin en
chaleur pour la production d'eau chaude sanitaire à un prix compétitif avec l'électricité. Et que
l'on ne vienne pas dire que c'est faire preuve d'intelligence que de chauffer de l'eau avec du gaz
ou du fuel en plein été. Seul souci, l'intégration architecturale des capteurs; on voit en effet le
meilleur et le pire. Règle absolue : ne jamais implanter de capteurs solaires thermiques sans
l'avis d'un architecte compétent.
Le bois comme combustible fait un retour en force au Nord des Alpes, soit sous forme de
pellets pour les petites installations, soit sous forme de copeaux déchiquetés avec le plus
souvent un réseau de distribution à distance pour les grosses installations. L'Italie par exemple
est importatrice de pellets de bois.
Le développement des pompes à chaleur oblige à rechercher des sources de chaleur de
qualité. Dans l'ordre décroissant, citons :
-
Les nappes souterraines exploitées par doublets;
-
Les eaux de rivière et de lac si elles ne descendent pas en dessous de 4°C en hiver;
-
Les sondes terrestres verticales en double U;
-
Les pieux et autres structures énergétiques;
-
L'air ambiant adapté surtout aux climats côtiers maritimes.
L'utilisation de l'énergie géothermique en direct pour le chauffage ou la production d'électricité
est un "must", malheureusement applicable pour l'instant dans des régions bien particulières
(Islande, Hongrie, Larderello).
La technique du Hot-dry-rock est en développement, les chances de succès économique
existent, mais sont modestes pour l'instant.
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Par leur inertie thermique, les lacs, les nappes souterraines et plus généralement le sous-sol,
sont à même de fournir du froid en été pour le rafraîchissement. On peut parler alors de freecooling, c'est-à-dire de production de froid utile sans machine frigorifique.
Les bons fabricants de pompes à chaleur incluent déjà dans la régulation la production de froid
en direct (la machine est arrêtée) et sa dissipation dans les circuits de chauffage par le sol à
partir de sondes en terre ou d'un doublet dans une nappe souterraine. Dans ce cas, on utilise le
milieu souterrain pratiquement comme site de stockage saisonnier de chaleur durant l'été et de
froid durant l'hiver.
En bref, on voit que l'environnement est pratiquement toujours à même de fournir de l'énergie. Il
suffit d'y penser assez tôt et d'un peu d'imagination.
Le solaire photovoltaïque
Le courant électrique photovoltaïque a globalement une excellente réputation. Ses concurrents
disent qu'il est trop cher. Cette situation est entrain de changer parce que la production annuelle
de capteurs augmente de 20 à 25% par an, ce qui a un effet sur les prix mais surtout parce que
l'on réalise enfin que le photovoltaïque doit être intégré aux façades ou à la toiture et jouer à la
fois le rôle de revêtement et de capteurs d'énergie. En Europe centrale et mieux encore au Sud
des Alpes, les façades et la toiture d'un immeuble sont à même de produire pratiquement toute
la demande annuelle en électricité et en chauffage d'un immeuble, maison familiale et petit
locatif, pour autant que la demande en énergie de chauffage ou de froid corresponde aux
standard, les plus récents.
Le solaire photovoltaïque n'est alors plus en îlot mais raccordé au réseau qui absorbe les
pointes de production durant la journée et alimente l'immeuble durant la nuit. Pour une maison
familiale une surface d'environ 50 m2 de cellules photovoltaïques est nécessaire pour couvrir
ses besoins annuels en électricité, chauffage par pompe à chaleur et rafraîchissements d'été
compris. Plus values à la construction 45'000 euros dont 30'000 sont pour l'instant non
amortissable.
Quelques exemples
La maison Erni près de Baden (figure 5), au coeur de la Suisse est de conception classique et
respecte le label Minergie. Elle est chauffée par une pompe à chaleur connectée à une sonde
en terre en double U de 60 mètres de profondeurs. Le pan Sud de la toiture est recouvert de
70 m2 de cellules photovoltaïques connectées au réseau. Le taux de couverture de tous les
besoins énergétiques annuels (chauffage, éclairage, électroménager) est de 130 %. Plus
values pour obtenir cette performance, amélioration de l'enveloppe comprise : 85'000 euros
dont 50'000 (le prix d'une BMW) doivent être considérés comme non amortissable.
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La maison zéro énergie de Dintikon (figure 6) comprend 4,5 m2 de capteurs thermiques pour
l'eau chaude sanitaire et 60 m2 de cellules photovoltaïques. De conception plus moderne, cette
maison familiale produit pratiquement tous ses besoins en énergie.
La maison familiale de Rüdtligen (Bern) (figure 7) est de conception classique. La valeur U des
murs est de 0,12 W/m2 K, les murs de 0,11 W/m2 K grâce à 30 cm d'isolation en laine de pierre
intégrée dans la charpente à ossature bois. La puissance de chauffage nécessaire est de
2 kW ! Cette maison couvre pratiquement tous ses besoins par une installation photovoltaïque,
une pompe à chaleur et des panneaux solaires thermiques.
Le musée d'archéologie à Hauterive-Neuchâtel (figure 8) est chauffé par une chaudière à bois
déchiqueté de 100 kW et rafraîchit par la ventilation et les planchers "chauffants" par freecooling à partir de la nappe souterraine : 1 puits de 500 l/minutes, puissance de froid 160 kW.
Ce bâtiment respecte les critères Minergie (demande en énergie de chauffage <150 MJ/m2 an).
En revanche, il consomme trop d'électricité, l'éclairage muséographique ayant été conçu et
installé par une entreprise française très peu motivée pour choisir des luminaires performants.
Le dépôt ferroviaire de Fleurier-Neuchâtel (figure 9) est chauffé à basse température par un
réseau dans les dalles. La production de chaleur est réalisée par une pompe à chaleur
électrique de 52 kWth et de 10 kWe. Source de chaleur : puits dans la nappe phréatique. Le
coefficient de performance de la pompe à chaleur électrique est supérieur à 5 et l'installation
dans son ensemble permet de diviser par 2 la demande en gaz du bâtiment. Conséquence
après 2 ans de fonctionnement, le distributeur de gaz demande à revoir ses tarifs parce que le
bâtiment ne consomme pas assez !
Les services industriels de Genève, on placé une couverture photovoltaïque sur un bâtiment
existant. Puissance 140 kWp. Cette énergie est vendue à leurs clients (figure 10).
Des objectifs atteignables
On sait aujourd'hui construire des bâtiments administratifs ou d'habitation, dont la
consommation d'énergie (chauffage et électricité) est pratiquement 10 fois inférieure à ce qu'elle
était entre 1950 et 1970 (figure 11). Les surcoûts sont compris entre 5 et 10 % du coût du
bâtiment et pratiquement amortissables. Dans le cas des bâtiments dits "zéro énergie", une plus
value non amortissable équivalent à moins de 10 % du prix du bâtiment (le prix d'un
équipement de cuisine luxueux) est à prendre en considération.
Une isolation des murs de très haute qualité, une production de chaleur adaptée dont le
rendement soit le meilleur possible et la mise en valeur de l'énergie renouvelable de proximité
constituent les 3 axes d'intervention pour parvenir à ce résultat.
Au-delà de l'aspect financier, c'est certainement la culture et la formation des professionnels du
bâtiment qui est le plus grand obstacle à la réalisation de bâtiments très performants.
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Figure 1
LES TROIS PILIERS D'UNE GESTION ENERGETIQUE PERFORMANTE DES
BATIMENTS.
Architecture
Enveloppe
Systèmes de production
de chaleur ou de froid
Exploitation des
ressources locales
Architecture climatique
Basse température
Chaleur récupérée
Solaire passif
Condensation des fumées
Copeaux de bois pellets
Masse du bâtiment
Equilibrage hydraulique
Etanchéité à l'air
Régulation optimisée
Solaire thermique pour eau
chaude (et chauffage)
Murs
U < 0,2 W/m2K
Toiture
U < 0,15 W/m2K
Sol
U < 0,25 W/m2K
Biogaz
Pompe à chaleur
(électricité, gaz)
Fenêtres U < 1,2 W/m2K
Sondes en terre
Ventilation double flux
Solaire photovoltaïque
Isolation des conduites
Eau du lac
Free cooling
Nappes souterraines
Pile à combustible
Stockage saisonnier
Couplage chaleur-force
Puits canadiens
Froid solaire
Géothermie
CONCEPTION
/
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PLANIFICATION
/
REGLAGE
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Figure 2
Production comparée de CO2 à effet de serre des différents combustibles
et systèmes de production de chaleur
Rendement**
Production comparée de CO2
non renouvelable
Chauffage bois PCS*
0.70 - 0.80
0%***
Chauffage gaz PCS*
0.85 - 0.95
70%
Chauffage biogaz PCS
0.85 - 0.95
0%
Chauffage mazout PCS*
0.80 - 0.90
100%
Chauffage électrique (hydraulique, éolienne ou photovoltaïque)
0.98
0%
Chauffage électrique (nucléaire)
0.33
0%
Chauffage électrique (thermique au gaz)
0.39
210%
PAC électrique (hydraulique, éolienne ou photovoltaïque)
3.0 - 4.5
0%
PAC électrique (nucléaire)
1.0 - 1.5
0%
PAC électrique (thermique au gaz)
1.2 - 1.8
65%
PAC à absorption à gaz PCS*
1.2 - 1.4
50%
PAC à absorption au biogaz PCS*
1.2 - 1.4
0%
1.5 - 2
45%
type de chauffage (et origine de l'énergie électrique)
Groupe chaleur force + PAC électrique
Chauffage par capteurs solaires
0%
* PCS : Pouvoir Calorifique Supérieur, pour les dispositifs de chauffage à brûleur (bois, mazout ou gaz). Tient compte de l'énergie
récupérée par condensation des vapeurs issues de la combustion.
** Rendement : calculé à partir de la consommation d'énergie non renouvelable. Ex : Pour une PAC électrique de rendement 4.5
alimentée par une centrale nucléaire de rendement 0.33, le rendement final est égal à 4.5 x 0.33 = 1.5.
*** Le CO2 produit par combustion ignée est renouvelable, le bois de chauffage étant issu de forêts replantées, captant le CO2 émis
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Figure 11
Consommations d'énergie comparées, des bâtiments d'habitations et administratifs (chaleur
et électricité) au Nord des Alpes, selon l'année de construction.
Période
Consommation
en mégajoules
Equivalent fuel
Avant 1920
500 MJ/m2 an
14 l/m2 an
1950 - 1970
900 MJ/m2 an
25 l/m2 an
Standard actuel
< 350 MJ/m2 an
< 10 l /m2 an
Minergie
< 250 MJ/m2 an
< 6,5 l/m2 an
Zéro énergie
< 100 MJ/m2 an
< 2,5 l/m2 an
La surface de référence est : Surface des locaux chauffés considérés à l'extérieur du
bâtiment.
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