Cas n°3 : Utilisation de l’énergie primaire

La troisième partie de cette étude consiste à comparer les résultats obtenus en prenant en considération l’énergie primaire en lieu et place de l’énergie finale. Ainsi, le quartier est à nouveau optimisé pour les trois géolocalisations précédemment définies afin d’observer les différences de résultats obtenus.

Les coefficients de transformation en énergie primaire sont dépendants du pays considéré. Les coefficients conventionnels suivants ont été utilisés pour le calcul de l’énergie primaire :

 Pour Grenoble en France : 2,58 pour l’électricité et 1 pour les autres énergies ;

 Pour Madrid en Espagne : 2,6 pour l’électricité et 1 pour les autres énergies ;

 Pour Stockholm en Suède : 2 pour l’électricité et 1 pour les autres énergies.

Les contraintes pour les consommations sont prises égales à (120, 100, 140) kWh/m²/an respectivement pour Grenoble, Madrid et Stockholm.

Pour le climat de Grenoble, la Figure 5.20 illustre les résultats issus de la procédure complète d’optimisation. Le front de Pareto est constitué de 161 solutions dont 61 possèdent une production d’énergie centralisée.

Lorsque la production d’énergie est centralisée à l’échelle du quartier, les configurations des enveloppes des bâtiments retenues sont variées. Les systèmes de production d’énergie qui sont présents en proportions similaires sont la géothermie aquifère avec une pompe à chaleur centrale, le cogénérateur ICE, la chaudière à condensation et il subsiste une configuration avec une cogénération à turbine à gaz. La production de l’ECS est principalement effectuée à l’aide de pompes à chaleur. Pour la ventilation, les systèmes à double flux prédominent et les pompes à chaleur sont totalement absentes. La position dans l’espace des performances des 3 regroupements est imposée par la proportion de toiture recouverte par des panneaux photovoltaïques c’est-à-dire que le coût global diminue avec cette surface mais les consommations énergétiques augmentent.

Pour les configurations où les productions d’énergie sont décentralisées, quasiment la totalité des configurations d’enveloppes sont représentées. La production est assurée à environ 60% par des chaudières à condensation et le reste par des convecteurs électriques. La ventilation s’effectue uniquement avec des systèmes à double flux. Les pompes à chaleur et les systèmes solaires thermiques avec un appoint au gaz sont à l’origine de la production d’ECS. Enfin, 75% des configurations possèdent une couverture de la surface de toiture par des panneaux photovoltaïques à 40%, les configurations restantes étant majoritairement pourvues d’un taux de couverture de 20%.

La part de 50% de la consommation totale d’énergie finale qui est dédiée aux autres usages augmente jusqu’à quasiment 70% en considérant l’énergie primaire. La production importante d’électricité permet de compenser la consommation énergétique et l’ajout du coefficient de transformation ce qui permet également de mieux la valoriser lorsqu’elle est réinjectée sur le réseau thermique. Cependant, ce coefficient pénalise le recours à l’électricité et les systèmes au gaz deviennent des alternatives qui permettent d’obtenir de bons résultats ce qui justifie le rapprochement des résultats dans l’espace des performances. Le choix de l’énergie primaire pour les consommations favorise des systèmes autres que ceux électriques, quasiment les seuls représentés lorsque l’énergie finale est prise en compte.

Figure 5.20. Optimisation pour le climat de Grenoble (énergie primaire)

La Figure 5.21 présente les résultats obtenus pour le climat de Madrid. 147 configurations sont présentes sur le front de Pareto dont 47 avec une production d’énergie centrale.

Pour les solutions possédant une production d’énergie centralisée, les configurations d’enveloppes sont à nouveau très variées. Les systèmes de production d’énergie présents sont les chaudières à condensation, les systèmes géothermiques aquifères et sur sondes avec une pompe à chaleur centralisée et les cogénérateurs ICE. L’ECS est surtout produite à l’aide de pompes à chaleur et la ventilation est réalisée par des systèmes à simple et double flux. Pour ce climat également, les solutions sont scindées en 3 ensembles qui sont dépendants de la surface de panneaux photovoltaïques installés.

Les configurations dont la production d’énergie est locale sont composées à environ 98% par des convecteurs électriques, le reste étant des pompes à chaleur. Il n’y a pas de tendance particulière concernant les configurations d’enveloppes. Par contre, la production d’ECS est essentiellement opérée par des pompes à chaleur ou par des systèmes solaires thermiques avec un appoint au gaz ou à l’électricité. Les systèmes à double flux sont majoritairement retenus pour la ventilation même si quelques pompes à chaleur sont encore présentes. Près de la totalité des configurations (99%) possèdent une couverture de toiture par les panneaux photovoltaïques de 40%. Les irradiations solaires sont élevées pour cette ville et impliquent ainsi une rentabilité à court terme de leur installation.

L’utilisation encore prépondérante des systèmes électriques trouve sa justification dans le fait qu’il y ait une faible demande de chauffage. L’autoconsommation élevée grâce à la grande diffusion de panneaux photovoltaïques évite la prise en compte du coefficient de transformation de l’énergie et renforce donc cette conclusion. Par ailleurs, les performances des résultats retenus se resserrent sur l’objectif économique.

Enfin, la Figure 5.22 fournit les résultats issus de la procédure d’optimisation pour le climat de Stockholm. Le front de Pareto final est composé de 157 solutions dont 57 sont composées à l’aide de systèmes de production d’énergie centrale.

Pour les solutions avec une production centralisée de l’énergie, les configurations des enveloppes des bâtiments sont variées. Par contre, seuls les cogénérateurs ICE et les systèmes géothermiques aquifères avec une pompe à chaleur centrale sont conservés pour la production d’énergie centrale. La ventilation est principalement assurée par des systèmes à double flux. L’ECS est quant à elle produite grâce à des pompes à chaleur, des systèmes au gaz et par des systèmes solaires avec un appoint au gaz dans une moindre mesure. La couverture des toitures par des panneaux photovoltaïques implique à nouveau l’apparition d’ensembles groupés de solutions qui possèdent une meilleure performance énergétique à mesure que cette surface augmente.

Les autres configurations composées à partir de productions d’énergie délocalisées à l’échelle du quartier sont constituées par des chaudières à condensation à hauteur de 65%, à 25% par des convecteurs électriques et le reste par des pompes à chaleur. Aucune tendance n’est discernable concernant les configurations d’enveloppes. Les systèmes à simple flux sont totalement absents et la production d’ECS est effectuée à l’aide des mêmes systèmes que pour les configurations à production centralisée. La majorité des toitures sont recouvertes par des panneaux photovoltaïques avec le plus haut taux possible, c’est-à-dire 40%.

La forme du front de Pareto des solutions avec une production d’énergie décentralisée est moins singulière que celle en prenant en compte l’énergie finale mais les distances dans l’espace des performances sont similaires entre les solutions avec une production d’énergie centralisée et localisée. Par ailleurs, la prise en compte de l’énergie primaire a favorisé l’utilisation des systèmes utilisant le gaz puisque leur représentativité dans les configurations du front de Pareto rivalise avec celle des systèmes électriques, spécialement pour ce climat.

La prise en compte de l’énergie primaire a globalement rendu performantes les configurations utilisant les systèmes au gaz, leur présence étant quasiment nulle en prenant pour objectif les consommations d’énergie finale. Une autre tendance concerne l’amélioration des performances économiques pour les configurations composées d’un système de production d’énergie centralisée par rapport aux autres. Ces conclusions étaient prévisibles du fait de la pénalisation de l’usage de l’électricité par le coefficient de transformation, mais les précisions apportées sur les proportions concernant l’usage des différents systèmes et les spécificités relatives au climat où le quartier est implanté ont pu être mises en exergue.

Figure 5.22. Optimisation pour le climat de Stockholm (énergie primaire)