1.07 É N E R G I E S
Dessin R.M.
# 2 E P F L 2015 -2016 // ENAC ARCHITECTURE FUTURS // FORMES // ÉNERGIES ATELIER DU PROF. RAPHAËL MÉNARD
Mis en forme par S.Shiraishi & S. Formery, sous la dir. de R. Ménard
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1.07 ENERGIES #2
musculation énergétique
Les œillets dans Jean de Florette, film de Claude Berri, 1986. Adaptation du livre de Marcel Pagnol. Ou comment l’absence d’un flux nécessaire, l’eau, génère l’absence de la récolte.
Après une révolution complète autour de notre trilogie Futurs-Energies-Formes, ce cours initie le deuxième cycle, en reprenant la thématique énergétique. Après une première partie consacrée à la classification des énergies primaires ainsi qu’à un bref rappel des unités de l’énergie (et au distinguo à effectuer entre puissance -un flux- et énergie -une quantité-), nous enchainerons par un aperçu historique : la première longue période de l’histoire énergétique de l’humanité, un premier âge des renouvelables, compris entre le néolithique et l’exploitation du solaire ancien, le début du charbon. Nous aborderons ensuite la question de la représentation du flux énergétique : comment « voir l’énergie », comment mélanger sa présence avec les outils courants de la représentation du projet ? Cette introduction est nécessaire : elle pourra vous fournir un levier conceptuel puissant pour statuer sur topologie et morphologie de l’Infrastructure Solaire Urbaine. Ce chapitre se clôturera par une explication de l’outil de « calibration » des Infrastructures Solaires Urbaines, permettant de scénariser la balance énergétique entre le flux de demande généré par l’habité (et en s’inspirant de la démarche de la Société à 2000Watts) et celle du flux d’offre, engendré par l’édifice.
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a. Les glâneuses, Jean-François Millet, 1857 b. Parham Mill, Gillingham, John Constable, vers 1826 c. (extrait) Bataille de Valmy 20th Septembre 1792, Jean Baptiste Mauzaisse, 1835
a.
b.
c.
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Arborescence et période antefossiles
Revenons d’abord sur l’arborescence déjà présentée le 4 septembre dernier. Cette taxinomie des flux d’énergie permet de distinguer ceux qui sont renouvelables de ceux qui sont issus des stocks finis (le solaire ancien et les combustibles nucléaires). Cette classification nous fournit aussi la trame pour analyser la première longue période l’histoire énergétique de l’humanité avant une première mue, à l’horizon des années 1800. La sédentarisation et les récoltes agricoles du néolithique ont fabriqué un « premier âge solaire », celui de la domestication d’une partie de la photosynthèse : la sédimentation du savoir, l’évolution des outils agricoles œuvrant à optimiser les rendements de production. Quelques siècles plus tard, Constable prend comme sujet de peinture ce moulin à eau : une autre étape de la domestication de l’énergie solaire, ou de l’une des formes dérivées, l’hydraulique. L’énergie mécanique est précieuse. A l’époque, cette qualité énergétique est presque exclusivement fournie de façon animale et humaine. Et ces derniers ne font que convertir l’énergie solaire qu’ils ingurgitent en force mécanique (et avec un faible rendement d’ailleurs). La machine à vapeur (où l’art de créer du mouvement à partir du feu) n’existait pas encore. Autre forme vernaculaire de conversion, le moulin à vent, permettant de récolter une autre dérivée de l’énergie solaire, l’énergie éolienne. Le vent n’est rien d’autre que le mouvement de matière généré par une source chaude (le soleil) et une source froide (le 5
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fond du cosmos). Ce tableau de la bataille de Valmy montre cette aïeule de nos éoliennes contemporaines. L’énergie mécanique faisait tourner la meule : le vent remplaçait les bêtes qui du coup n’étaient plus à nourrir1 ! Et enfin, pour rappel du cours précédent, le bois, autre vecteur intermédiaire, qui nous nourrissait de sa chaleur (pour nos âtres, nos cuissons alimentaires et pour nos artisanats qui réclamaient du feu pour transformer la matière) lorsqu’il n’était matière à construire. 1. Agriculture et Economie rustique, Moulins à vent et à eau, Planche IV. Vûe perspective de l’intérieur du moulin, in Encyclopédie, ou Dictionnaire Raisonné des Sciences, des Arts et des Métiers, sous la dir. de D. Diderot et d’Alembert
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Les vies de l’énergie et son storyboard préféré : le Sankey !
Précédemment, le cycle de la matière. Au tour maintenant de l’énergie. Voilà donc un glossaire et un ordonnancement de ses vies successives. En filigrane, le deuxième principe de la thermodynamique : la quantité se conserve mais la qualité baisse inexorablement ! (rappelez-vous l’extrait du film de Woody Allen en introduction au dernier cours) Sur la totalité de son cycle, toute l’énergie primaire se conserve en se transformant inexorablement en énergie fatale, une chaleur à basse température. Confrontonsnous à notre premier diagramme de Sankey : il se lit de gauche à droite. Les formes primaires à gauche, les usages finaux sur la droite. Entre les deux, les chaînes et les entremêlements successifs de transformation. A chaque étape (permettant par exemple de convertir une qualité énergétique en une autre, comme par exemple de la chaleur en électricité), il y a souvent une perte : la largeur de la flèche, quantifiant le flux, se rétrécit, tandis que la chaleur fatale émise dans le processus de transformation égalise l’intrant.
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d. Coupe conceptuelle sur une ISU, RM
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1.07 ENERGIES #2 e.
La force de cette représentation est qu’elle est superposable aux représentations traditionnelles de l’espace : une carte (comme pour cette merveilleuse représentation de Minard) ou en coupe, comme dans cette préfiguration d’Infrastructures Solaires Urbaines . Les Sankey sont des photos de flux et peuvent raconter un bilan sur un pas de temps défini. Une année, lorsqu’un pays souhaite résumer son système énergétique. Mais cela peut-être un instantané sur la coupe d’un projet architectural, en matérialisant les apports solaires venant des fenêtres et les pertes d’isolation par les parois. En prenant les termes du monteur vidéo, le Sankey est un key frame d’une histoire énergétique. Pour parachever cette introduction aux Sankey, une autre illustration qui fait écho à notre voyage, à la visite 10
e. Tableaux Graphiques et Cartes Figuratives de M. Minard, 1845 - 1869, Bibliothèque de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Paris. f. Diagramme des flux énergie & matières pour une exploitation viticole. Scénario de valorisation des déchets issus de la biomasse et production solaire locale pour réduire le contenu énergétique et carbone de chaque bouteille produite. Dessin RM, Elioth, 2008
f.
de l’exploitation agricole et viticole de Raphaël Piuz. Dans le cadre d’un concours, nous avions alors défini chez Elioth des stratégies architecturales et paysagères permettant de réduire les intrants nécessaires à la fabrication d’un Grand Cru dans le Bordelais. Le diagnostic montrait que le contenu énergétique de cet « enivrant élixir de photosynthèse » supposait une consommation équivalente de pétrole ! Et nous souhaitions alors encourager un mode de fabrication bas carbone pour pérenniser ce bel art. Pour vos ISU, il en sera de même: elles devront scénariser leur récolte, matérialiser leur stockage et donner à voir la distribution de ce flux vers la demande de l’habiter.
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Le calibrateur à ISU
A ce point d’avancement de vos projets, vous êtes taraudés par l’extension territoriale de cette nouvelle machine à habiter. Faire cohabiter mille personnes, leur permettre des circulations, des usages collectifs ; faire épouser l’ISU aux existants, paysagers et bâtis. Quelle topologie pour cette liane ? Quelle arborescence est permise ? Nous en avons discuté, c’est ouvert. Vous devez néanmoins faire un choix sur le développé linéique de votre ISU. Le calibrateur (annexe 1) est là pour vous aider. Il vous permettra de scénariser votre demande énergétique en étroite association avec vos choix programmatique. Cet outil vous permettra aussi de tester différents scénarios d’offre (ou de récolte énergétique). A l’issu de ces entrées, vous aurez alors à opérer un arbitrage vis-à-vis de l’autonomie énergétique attendue.
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g. Egalité des intensités spatiales énergétiques. h. Deux comparaisons des rendements moyens de conversion de l’énergie solaire selon plusieurs hypothèses de densité. Le graphique de gauche correspond à une demande individuelle importante, celle de la France ou de la Suisse aujourd’hui: celui de droite à une demande énergétique correspondant à la moyenne mondiale. (source équipe Reforme, Ignis Mutat Res)
g.
h.
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annexe 1: calibrateur Ă isu
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LES INFRASTRUCTURES SOLAIRES URBAINES OUTILMENARD DE CALIBRATION | VERSION 1 EXACTEMENT EPFL | ENAC | ATELIER | 2050 - SOUS LE SOLEIL
LES INFRASTRUCTURES SOLAIRES URBAINES
A_ Données de site EPFL solaire | ENAC | ATELIER MENARD | 2050 - SOUS LE SOLEIL EXACTEMENT Gisement horizontal moyen OUTIL DE CALIBRATION | VERSION 1 Flux moyen 140 W/m²
LES INFRASTRUCTURES SOLAIRES URBAINES
A_ Données de du siteprojet B_ Hypothèses
OUTIL DE CALIBRATION | VERSION 1
Gisement solaire horizontal moyen Population Flux moyen Total →
A_ Données de site
140 W/m² 1 000 personnes
Emprise Gisementd'usage solaire horizontal moyen
B_ Hypothèses du projet Population
25 m²/pers 140 W/m²
Activité Total →
10 m²/pers 1 000 personnes 5 m²/pers
Total → Logement Total → Activité
40 m²/pers 25 m²/pers 1 000 personnes 10 m²/pers
Equipement public B_ Hypothèses du projet
Emprise d'usage Population
Rappel Société à 2000W
Logement Flux moyen
Identification de la demande énergétique Emprise d'usage Equipement public Chaleur → Logement Total → Froid Activité Electricité Equipement public
Identification de la demande énergétique
5 m²/pers 880 W/pers 25 m²/pers 40 m²/pers 50 W/pers 10 m²/pers 50 5 W/pers m²/pers
Alimentation 400 W/pers Total → 40 m²/pers 880 W/pers Chaleur → Mobilité 1 000 W/pers Froid 50 W/pers Energie grise → 230 W/pers Identification de la demande énergétique Electricité 50 W/pers Flux moyen de demande 2 880 610 W/pers W/pers → Chaleur → Alimentation 400 W/pers Froid 50 W/pers Mobilité 1 000 W/pers Evaluation de la production renouvelable en50toiture Electricité W/pers Energie grise → 230 W/pers Biomasse 5 W/pers % de la toiture et rendement moyen Alimentation 400 Flux moyen de demande → 2 610 W/pers Photovoltaïque 30 % de la toiture et rendement moyen Mobilité 1 000 W/pers Solaire thermique Energie grise →
Autres → 5 W/pers % de la toiture et rendement moyen Flux moyen de demande 2 610 Biomasse 5 % de la toiture et rendement moyen Fraction non productive → 30 % de la toiture Photovoltaïque 30 % de la toiture et rendement moyen Rendement moyen → 24%toiture de conversion de l'énergie solaire Evaluation de la production renouvelable en Solaire thermique 30 % de la toiture et rendement moyen 34 Flux moyen de production Biomasse → 5 W/m² % de la toiture et rendement moyen Autres 5 % de la toiture et rendement moyen Photovoltaïque 30 % de la toiture et rendement moyen Fraction non productive → 30 % de la toiture Solaire thermique 30 % de la toiture et rendement moyen Rendement moyen → 24% de conversion de l'énergie solaire Autres 5 % de la toiture et rendement moyen 34 W/m² Flux moyen de production → Cas 1 : je choisis monnon autonomie Fraction productive → 30 % de la toiture
C_ Conséquences projet
Autonomiemoyen visée → Rendement
→ Flux moyen de production →
Densité max. →
Cas 1 : je choisis mon autonomie
Emprise au sol de l'ISU → C_ Conséquences projet Autonomie visée
Nombre de niveaux max. →
Cas Cas 2 1 :: je je choisis choisis ma monhauteur autonomie Densité max. Nombre de niveau moyen Autonomie visée Emprise au sol de l'ISU Densité Nombre de niveaux max.
→ → → →
15 kWh/j.pers
Calculette chaleur Cha uffa ge
20 kWh/m².a n
Calculette énergie grise
Cui s s on 4 kWh/j.pers Conschaleur tructi on 1 500 kWh/m² cons trui t Calculette ECS Obs ol esuffa cence Cha ge
15 kWh/j.pers 30 kWh/m².a a ns 20 n
Cui s s on
4 kWh/j.pers
Calculette énergie grise 0,1%
ECS 15 kWh/j.pers Cons tructi on 1 500 kWh/m² cons trui t
Obs ol es cence 30 a ns 20% Calculette énergie grise
10%
Cons tructi on 1 500 kWh/m² cons trui t Obs ol es cence
30 a ns
0,1% 20% 60% 0,1% 10% 20% 60% 10%
37 000 m² 50 % 1,0 niveaux 261 hab/ha 2% niveaux 50 37 000 m² 500 hab/ha 1,0 niveaux 26 % 261 hab/ha
Densité →
500 hab/ha
Autonomie maximale → Nombre de niveau moyen Emprise au sol de l'ISU → Densité →
26 % 2 niveaux 10 000 m² 500 hab/ha
Autonomie maximale →
4 kWh/j.pers
ECS
1,0 niveaux 34 W/m²
10 37 000 000 m² m² 2 niveaux
Emprise au sol de l'ISU →
20 kWh/m².a n
Cui s s on
261 hab/ha
Autonomie maximale → Densité max. →
Cas 2 : je choisis ma hauteur
Cha uffa ge
50 % 24% de conversion de l'énergie solaire
Emprise Emprise au au sol sol de de l'ISU l'ISU → → Nombre de niveau moyen
Cas 2 : je choisis ma hauteur
Calculette chaleur Rappel Société à 2000W
30 % de la toiture et rendement moyen 60% 230 W/pers
Evaluation de la production renouvelable en toiture
C_ Conséquences Nombre projetde niveaux max.
Rappel Société à 2000W
26 % 10 000 m²
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