Energy District 2050 PRO GR A M M E DE R EC H E R C H E T H É M ATIQU E H E S -S O S U R L A T R A N S I T I O N E T L’ E F F I C I E N C E É N E R G É T I Q U E S
INGÉNIERIE ET ARCHITECTURE
HEIA-FR – Institut de recherche appliquée en systèmes énergétiques (ENERGY) Patrick Favre-Perrod patrick.favre-perrod@hes-so.ch +41 26 429 65 88
HEIG-VD – Institut d’Energie et Systèmes Electriques
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Comité de pilotage du programme Energy District 2050
Nicolas Weber nicolas.weber@heig-vd.ch +41 24 557 61 59
hepia - Institut des Sciences et Technologies Industrielles (inSTI) Jean-Marc Allenbach jean-marc.allenbach@hesge.ch +41 22 546 26 08
HEI-VS – Institut Systèmes industriels (ISI) Jessen Page jessen.page@hevs.ch +41 27 606 87 76
HE-ARC – Mécanique numérique Thierry Robert thierry.robert@he-arc.ch +41 32 930 13 54
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Édito La recherche appliquée et développement est au cœur des missions de la HES-SO et plus particulièrement du domaine Ingénierie et Architecture. Menée par des professeurs et chercheurs, elle permet d’acquérir des compétences pratiques pour répondre aux besoins de la société et de l’industrie. Elle garantit aussi un enseignement de pointe aux étudiantes et étudiants et leur offre ainsi un véritable tremplin vers le monde du travail après l’obtention de leur diplôme. Depuis quatre ans, le domaine Ingénierie et Architecture a structuré ses projets de recherche appliquée en six programmes thématiques qui, ensemble, couvrent tous les champs d’étude. De l’énergie à l’optimisation de la chaîne agro-alimentaire, en passant par l’étude de la densification urbaine ou des objets connectés, ces programmes ont pour objectif de trouver des solutions concrètes aux problèmes de notre temps.
de centrales électriques, ainsi que la politique énergétique internationale de la Suisse. Le programme Energy District 2050 (ED2050) s’appuie d’ailleurs sur les deux premiers axes et propose des solutions innovantes au niveau de l’efficience de l’environnement bâti, de la production durable d’énergie, tout en étudiant la distribution d’énergie. Il intègre aussi les professeurs de la HES-SO impliqués au niveau national dans les pôles de compétence inter universitaires en recherche : les Swiss Competence Centers for Energy Research (SCCER). Les projets d’Energy District 2050 développent des compétences en termes de gestion de la charge électrique en vue d’optimiser l’autoconsommation avec un stockage décentralisé, étudient l’intégration du chauffage à dis-
tance ou encore l’utilisation de matériaux à changement de phase comme élément de stockage pour traiter de la rénovation énergétique des bâtiments qui intègrent des vitres photovoltaïques. Ce programme s’intègre enfin dans la transition énergétique souhaitée par la Suisse avec pour objectif, en 2035, de réduire de 13% notre consommation électrique par personne en comparaison à l’année 2000 et de 43% notre consommation énergétique par personne. Le domaine Ingénierie et Architecture soutient le programme ED2050 au cœur du développement durable, l’une des valeurs fondamentales de la HES-SO. Olivier Naef Responsable du domaine Ingénierie et Architecture de la HES-SO
Une série de brochures sur ces six programmes permet d’expli quer les défis qu’ils relèvent. Ces publications illustrent les points forts et compétences-clés à disposition dans la HES-SO. Elles servent aussi à mettre en lumière les réalisations concrètes de ces programmes menés en étroite collaboration avec des partenaires de l’industrie. La Confédération helvétique travaille sur quatre axes de développement incluant l’efficacité énergétique, la promotion des énergies renouvelables, le remplacement et la construction
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LE PROGRAMME
Energy District 2050
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INGÉNIERIE ET ARCHITECTURE - Energy District 2050
La transition énergétique passe par l’intégration d’énergies renouvelables aux réseaux de distribution. Les projets du programme Energy District 2050 s’inscrivent dans ce changement en anticipant le comportement des consommateurs et l’utilisation des nouvelles technologies de production d’énergie. Abandonner le nucléaire et passer d’un monde basé sur l’énergie fossile à une société consommatrice d’énergies renouvelables : voilà une transition qui a des conséquences sur les modes de production, de consommation et de distribution d’énergies. Aujourd’hui, la production énergétique vise la durabilité et doit s’accompagner d’innovations technologiques. Des projets de recherche développent des réseaux multi-énergies devant intégrer les énergies renouvelables àl'échelle du réseau d'une municipalité, d'un quartier ou d'un bâtiment, tant au niveau électrique que thermique. L’autre partie de ce défi est aussi de stocker cette énergie entre deux pics de consommation pour faire fonctionner ces nouveaux systèmes de manière optimale dans toutes les conditions. Améliorer l’efficience énergétique et minimiser la consommation, ces objectifs passent par la planification d’installations mêlant des technologies diverses, adaptées aux bâtiments et pouvant fonctionner ensemble. Concrètement, selon l’environnement et le
contexte d’un bâtiment, il s’agit par exemple d’évaluer s’il vaut mieux utiliser des fenêtres photovoltaïques, placer des panneaux solaires sur un toit pour produire l’électricité, ou si une installation de biomasse peut être utile dans une cave. De passif, le bâtiment devient actif : il consomme, produit, stocke et distribue des énergies renouvelables pour augmenter leur part dans le réseau. A l’échelle du quartier, il est aussi en interaction avec les installations voisines pour coordonner la production énergétique urbaine et assurer une distribution collective. En se posant ces questions simples, les chercheurs impliqués dans les projets du programme Energy District 2050 identifient les briques manquantes pour faire fonctionner un système énergétique intégré et transversal. Ils accompagnent des changements de société et optimisent les outils d’une énergie qui de grise passe au vert. Intégrées aux bâtiments, ces innovations orientent également le consommateur vers un rôle nouveau : d’acteur passif réduit au simple payement de ses factures, il a la responsabilité de contribuer à la production d’énergie.
Patrick Favre-Perrod
Trois questions à Marc Jobin Chercheur en nanotechnologie et responsable de l’Institut des sciences et technologies industrielles (InSTI) de la haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture de Genève – hepia, Marc Jobin dirige NanoVit 2, un projet de vitrage photovoltaïque organique.
1–
En quoi le projet NanoVit 2 est-il novateur dans le domaine du vitrage photovoltaïque ? Normalement, les cellules photovoltaïques sont placées à certains endroits d’une vitre, ce qui l’obscurcit partiellement. Dans notre projet, nous cherchons des solutions nano pour contrôler les flux énergétiques à travers les vitres. Nous déposons des couches homogènes et inférieures à 100 nm de cellules photovoltaïques sur l’ensemble de la surface vitrée afin d’en préserver la quasi transparence et les propriétés thermiques.
2–
Comment pouvez-vous agir sur la transparence d’une vitre ? Pour limiter les pertes de transmission optique, nous filtrons la lumière solaire. Nous utilisons une technologie tandem : les photons de faible énergie sont envoyés sur des cellules photo voltaïques disposées à l’horizontale pour qu’elles ne dégradent pas la visibilité ; les photons de grande énergie sont captés par des cellules PV organiques verticales et transparentes.
3–
Cette technologie s’avère-t-elle utile pour la production d’énergie ? Après les toits et les façades, l’intégration du photo voltaïque dans les fenêtres est la dernière étape pour couvrir toute la surface extérieure d’un bâtiment. Si cette technologie est simple sur 1 cm2, elle s’avère complexe à plus grande échelle. Après avoir conçu un prototype de 8 x 5 cm, nous nous lançons maintenant dans un module de 30 x 30 cm pour, à terme, implémenter cette technique sur une fenêtre réelle et intéresser les industriels.
Hautes écoles impliquées:
Coordinateur du programme Energy District 2050 Professeur à la Haute Ecole d’ingénierie et d’architecture de Fribourg HEIA-FR
HE-Arc Ingénierie
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Le nombre de chercheuses et de chercheurs impliqués dans la première phase du programme Energy District 2050.
HEIG-VD
hepia
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HEIA-FR
HEI-VS
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PROJETS ENERGY DISTRICT 2050
EMG4B
EC_Storage
Janvier 2014
Février 2014
USS - URBAN SUN SKIN
But : Intégrer des bâtiments
But : Etudier les moyens de
intelligents dans la gestion des réseaux de distribution.
stockage électrochimique et aboutir à quelques bancs d’essais et démonstrateurs.
Avril 2014
Date de lancement :
Date de lancement :
Hautes écoles HES-SO : HEI-VS, HEIA-FR, HEIG-VD et hepia
Hautes écoles HES-SO :
Descriptif : Le déploiement
HEIG-VD et HEIA-FR
Date de lancement :
But : Développer un outil analysant le potentiel solaire en milieu bâti à large échelle.
Hautes écoles HES-SO : hepia et HEI-VS
de stratégies de gestion d’énergie pour les bâtiments est une tâche complexe, en raison du manque d’interfaces standards permettant de surveiller et de contrôler les ressources énergétiques distribuées. Ce projet vise à concevoir un cadre ICT capable d'organiser efficacement de telles stratégies de gestion.
Descriptif : EC_Storage a pour objectif d’étudier les solutions de stockage électrochimiques. Les plus représentatives sont étudiées plus précisément en réalisant des bancs d’essais. Un démonstrateur est prévu pour montrer une application réelle de ces moyens de stockage, notamment dans la gestion du réseau électrique via une batterie de 63 kWh.
Bus DC
eRen Rénovation énergétique
Mai 2014
Mai 2014
But : Produire un prototype
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Date de lancement : Avril 2014
But : Réaliser un prototype de Microgrid basé sur un Bus en courant continu comprenant des producteurs, des consom mateurs et du stockage d’énergie.
Hautes écoles HES-SO : HEI-VS, HEIG-VD et hepia
Descriptif : Ce projet vise à construire un micro-réseau de distribution à tension continue de 700V auquel sont connectés une installation photovoltaïque, différents éléments de stockage et des charges. Le démonstrateur d’une puissance crête de 11kW permet de présenter aux partenaires industriels une gestion optimale et efficiente de l’énergie avec de nouvelles formes de stockage.
Date de lancement :
But : Développer des méthodes et outils pour la rénovation énergé tique de l’enveloppe des immeubles d’habitation.
Hautes écoles HES-SO : HEIA-FR, hepia, HEIG-VD et HEI-VS
Descriptif : Le projet eRen a permis d’identifier les caractéristiques constructives et les problématiques des principaux types constructifs d’immeubles d’habitation en Suisse romande, réalisés entre 1900 et 1990. Il propose des scénarios de rénovation énergétique adaptés à travers une approche globale et met à disposition un outil pour la réaliser.
Descriptif : L’outil créé sert à analyser le potentiel solaire en milieu bâti non seulement sur les toitures ou au sol, mais aussi et surtout sur les façades verticales des bâtiments. Il consiste pour cela à traiter de façon automatique, et sur un large espace urbain, des données spatiales 2D (bâtiments, toitures), numériques d’altitude (MNT, MNS) et de reconstituer sur cette base les façades (3D).
Smart Energy District Design Date de lancement :
de plateforme de co-simulation pour la simulation de systèmes multi-énergie.
Hautes écoles HES-SO : HEI-VS, HEIG-VD et HEIA-FR
Descriptif : La co-simulation est une solution intéressante pour la simulation d’un système multiénergie urbain. Ce projet permet de comprendre ses avantages et désavantages, sous quelles conditions elle s’applique le mieux, ou encore quels sont les standards et outils à disposition pour résoudre les problèmes de communication entre outils de simulation et de gestion de la co-simulation.
INGÉNIERIE ET ARCHITECTURE - Energy District 2050
PROJETS ENERGY DISTRICT 2050
OPTICAD
Autoquart
µCCF-quartier
Septembre 2014
Janvier 2015
Mars 2015
But : Développer une méthodologie
But : Construire un outil d’optimi
But : Etudier le concept de mise en réseau de micro couplage chaleur-force (µCCF) à l’échelle d’un quartier d’habitation
Date de lancement :
Date de lancement :
et un outil pour la modélisation de réseaux de chaleur ou de froid.
Hautes écoles HES-SO :
sation de l’auto-consommation de productions électriques locales, au niveau du quartier.
Date de lancement :
HEI-VS et hepia
Hautes écoles HES-SO :
Descriptif : Le projet OPTICAD a permis de développer un outil d’aide à la décision pour les concepteurs et gestionnaires de chauffage à distance (CAD). La modélisation des principaux phénomènes physiques, depuis le producteur de chaleur jusqu’au consommateur final, permet de quantifier l’impact de diverses stratégies de gestion et de design d’un CAD.
HEI-VS et HEIA-FR
HEIA-FR et HE-Arc Ingénierie
Descriptif : Autoquart propose
Descriptif : Un µCCF permet
des solutions innovantes, intégrant des solutions de stockage et des stratégies d’autoconsommation dans le but de maximiser la quantité d’énergie électrique produite loca lement et pouvant être consommée dans le quartier de production lui-même.
Hautes écoles HES-SO :
la production, de manière contrôlée et prévisible, de chaleur et d’élec tricité. Par la réalisation d’un outil de simulation, le projet étudiera différents scénarios de mise en réseau d’un µCCF et définira un concept optimal, selon des critères énergétique et économique. En partenariat avec un industriel, la réalisation d’un prototype de µCCF est attendue. 7
SA-MicrogridDC
NanoVit2
OpenGridLab
Novembre 2015
Décembre 2015
Octobre 2016
But : Développer un démonstrateur
But : Développer et caractériser
sous la forme d’un micro-réseau.
une vitre photovoltaïque tandem.
But : Déployer un système d’optimisation et de gestion d’un réseau électrique.
Date de lancement :
Date de lancement :
Date de lancement :
Hautes écoles HES-SO :
Hautes écoles HES-SO :
HEI-VS, HEIA-FR et HEIG-VD
hepia et HE-Arc Ingénierie
Hautes écoles HES-SO :
Descriptif : Le photovoltaïque (PV) intégré au bâtiment (BIPV) fait l’objet d’une attention particulière dans le cadre de la transition énergétique. Nous développons une technologie PV tandem alliant des cellules solaires standards et des cellules solaires organiques transparentes, dans le but d’augmenter significativement le rendement des vitres solaires disponibles sur le marché.
HEI-VS et HEIA-FR
Descriptif : Le projet vise à démontrer qu’il est possible de lisser le profil de puissance d’un micro-réseau industriel semi autonome, même avec une pénétration d’énergie photovoltaïque (PV) supérieure à 50% de l’énergie totale consommée localement. Ce micro-réseau intègre la production PV d’une puissance crête de 30 kW, des éléments de stockage et des charges d’une puissance moyenne de 10 à 20kW.
Descriptif : Ce projet vise à mettre en service une architecture innovante et sécurisée de gestion du réseau électrique basée sur le concept d’Internet des objets. Celle-ci exploite des algorithmes d’optimisation prédictifs répondant aux besoins des différents partenaires. Elle permet de définir facilement des nouveaux services ou algorithmes d’optimisation et de visualiser les données y relatives.
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PROJETS ENERGY DISTRICT 2050
CoolStock Date de lancement : Janvier 2016
But : Développer des capacités thermiques de ventilation : pilote, outils de simulation et dimensionnement. Hautes écoles HES-SO : hepia et HEIG-VD
Descriptif : Le projet CoolStock consiste à réaliser une capacité thermique de ventilation. Il cherche à mettre en évidence les performances des matériaux à changement de phase (PCM) dans le cadre d’une conduite d’air neuve. En utilisant de nouveaux matériaux disponibles sur le marché, un pilote sera réalisé et intégré à un bâtiment.
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UN PROJET PHARE
Bus DC
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Intégrer des énergies renouvelables au réseau électrique classique demande quelques adap tations techniques. Pour améliorer l’efficience d’une installation, le projet Bus DC mise sur un système de distribution local d’énergie incorporant le courant continu. Les explications de Dominique Roggo, professeur à la HES-SO Valais-Wallis - Haute école d’Ingénierie HEI.
HES-SO Pourquoi vouloir intégrer le courant continu à des systèmes électriques traditionnellement basés sur la tension alternative ? DR Les systèmes de production d’énergie photovoltaïque, les batteries pour le stockage d’énergie et de nombreux équipements travaillent en courant continu, alors que les systèmes de distribution fonctionnent généralement en alternatif 230 volts. Pour passer d’un système à l’autre, des onduleurs convertissent ces sources d’énergie, ce qui entraîne une perte d’efficience du système. En effectuant des transferts directement en courant continu, nous pouvons supprimer certaines étapes de conversion et, en conséquence, réduire les pertes et les coûts d’une installation.
Cependant, les protections dimensionnées pour la tension alternative ne sont pas directement compatibles avec un système de distribution en courant continu. Une modification des fonctions de protection du réseau et des personnes s’avère nécessaire. Pour obtenir une intégration optimale des énergies renouvelables dans les réseaux, l’Institut de recherche Systèmes industriels de la HES-SO Valais-Wallis, par le biais du Bus DC et d’autres projets, développe un système de distribution mixte, qui incorpore des éléments en courant continu et alternatif.
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HES-SO Quels sont les objectifs du projet Bus DC ? PB Bus DC signifie « ligne de distribution d’énergie en courant continu », direct current (DC) en anglais. L’objectif de ce projet est de développer et d’évaluer la technologie des bus DC pour interconnecter les différents producteurs d’énergie, éléments de stockage et consommateurs, dans un bâtiment ou dans un quartier, afin d’en augmenter l’efficience énergétique globale.
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HES-SO Quelle est l’utilité de l’intégration directe du courant continu dans un système alternatif ? PB En évitant la conversion de la tension continue en courant alternatif, le système devient plus efficient que ceux utilisés actuellement. Si la réalisation parait simple sur le papier, le fonction nement d’un tel système mixte est compliqué dans la réalité. On peut comprendre cette difficulté en prenant l’exemple de la gestion énergétique de plus en plus complexe et multiple d’un bâtiment : l’ascenseur peut être connecté au réseau classique, le chauffage branché sur une pompe à chaleur et l’éclairage assuré par des panneaux photovoltaïques (PV). Notre objectif est de rendre ces différentes charges et ces sources complémentaires et de créer un système de gestion globale pour répondre à la consommation générale du bâtiment en évitant des transferts d’énergie inutiles. S’il bénéficie d’éléments de stockage d’énergie, ce système privé peut être isolé du réseau public ou avoir un seul point de contact pour l’alimenter ou évacuer de l’énergie. C’est le concept de micro-réseau. HES-SO Comment se déroulent
vos expérimentations ? PB Notre démonstrateur, un
prototype de 10 kW, est relié à des panneaux photovoltaïques. L’énergie que produisent ces derniers est intégrée à une artère électrique de 700 volts grâce à un étage modulé en tension continue. Soumis à différentes charges, des convertisseurs permettent à ce système mixte de fonctionner et d’alimenter le réseau classique. Maintenant
que ce prototype fonctionne, il s’agit de complexifier les charges intégrées à l’origine du projet et d’augmenter la puissance de notre démonstrateur à 25, voire 30 kW, en espérant intéresser les industriels. HES-SO Quelles sont les débou-
chés et applications du projet ? PB La surproduction d’énergie
photovoltaïque amène à stocker localement une partie de l’énergie produite. L’essor de la production d’énergie photovoltaïque couplée avec du stockage d’énergie réparti en différents points, ainsi que l’avènement des véhicules électriques, rendent les systèmes de distribution DC potentiellement attractifs et ceci sans surcoût. En Suisse, dans le cadre du virage énergétique pris depuis la catastrophe de Fukushima, des réseaux « micro-DC » pourraient être interconnectés et liés à des réseaux DC existants. Ainsi, les réseaux de bus électriques ou de tramway pourraient profiter des capacités de stockage et s’approvisionner en énergie renouvelable grâce aux surplus produit par les particuliers. Nous ne sommes pas seuls à travailler sur ces projets. La Haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture à Genève (hepia) nous soutient pour l’analyse des charges en courant continu, la Haute Ecole d’Ingénierie et d’architecture de Fribourg (HEIA‑Fr) s’occupe du développement d’algorithmes de contrôle et la Haute Ecole d’ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG‑VD) développe aussi des convertisseurs. Enfin, plusieurs entités de recherche suisses et étrangères travaillent sur ces thèmes. Nous espérons pouvoir échanger des informations avec elles dans le cadre d’un projet du programme de coopération européenne en science et technologie (COST) lancé par le Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM) de Neuchâtel. Comme c’est le cas pour d’autres applications, telles que l’alimentation des centres de calculs ou l’éclairage industriel, nous imaginons des débouchés commerciaux importants pour cette technologie.
Hautes écoles impliquées:
HEIG-VD
hepia
HEI-VS
« Les réseaux de bus électriques ou de tramway pourraient profiter des capacités de stockage et s’approvisionner en énergie renouvelable grâce aux surplus produit par les particuliers. »
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En kWh, l’énergie photovoltaïque totale produite par le démonstrateur du projet Bus DC depuis sa première mise en service en avril 2015.
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Energy District 2050 Programme de recherche thématique HES-SO sur la transition et l’efficience énergétique Une publication de la HES-SO Haute école spécialisée de Suisse occidentale
Impressum
Edition Rectorat HES-SO Route de Moutier 14 2800 Delémont Suisse
Photographies Couverture – iStock P. 3 – Bertrand Rey P. 4, 9 – Thierry Parel
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Energy District 2050