La méthode développée est appliquée dans son intégralité (modélisation du territoire et optimisation) sur un territoire d’étude réel.
5.2.1 Description du territoire
Le territoire considéré comme cas d’étude est un centre-bourg situé dans la Seine-et- Marne (77). Il est constitué de 429 bâtiments, dont 192 maisons individuelles et 237 loge- ments collectifs, représentés sur la Figure 5.5. Une inférence des caractéristiques thermiques et énergétiques (voir Sec. 2.3.3) permet de caractériser l’état initial du territoire, notamment en termes de besoin, de consommation et d’émissions de GES (voir Tab. 5.1). La Figure 5.1 synthétise cet état initial via les distributions des classes DPE, en termes de consommation d’énergie de chauffage et d’émissions de GES.
A B C D E F G A B C D E F G Consommation d'energie kWhep/m2.an A : ≤ 50 B : 51 à 90 C : 91 à 150 D : 151 à 230 E : 231 à 330 F : 331 à 450 G : ≥ 450 Emissions de GES kgCO2e/m2.an
A : ≤ 5 B : 6 à 10 C : 11 à 20 D : 21 à 35 E : 36 à 55 F : 56 à 80 G : ≥ 80
Figure 5.1 – Synthèse de l’état initial du territoire d’étude - DPE de consommation d’éner- gie et émissions de GES dus au chauffage.
5.2.2 Comparaison des stratégies de rénovation
Déclinaison du problème d’optimisation
Objectif : Minimiser une fonction économique (Investissements ou coûts totaux) Contraintes : Réduction des émissions de GES : 50%
Paramètres : Taux d’actualisation : 5% Horizon : 0, 10, 20 et 50 ans
Diverses approches peuvent être considérées dans la cadre d’une aide à la planification énergétique, notamment en fonction du point de vue adopté (Voir Sec. 1.3). Ainsi, la consi- dération des investissements ou des coûts totaux à différents horizons dans le problème d’optimisation aboutit à la mise en œuvre de solutions diverses. Les Figures 5.2 à 5.4 re- présentent les investissements à réaliser pour réduire les émissions du territoire de 50%, en considérant les 4 stratégies suivantes :
• Investissements initiaux : on cherche à dépenser le moins aujourd’hui pour attendre l’objectif à niveau territorial.
5.2. Premier cas d’étude : territoire urbain
• Coût total actualisé sur 10 ans : on considère l’effet sur la facture énergétique comme pourrait le faire un propriétaire occupant cherchant une rentabilité court terme. • Coût total actualisé sur 20 ans : l’horizon considéré est allongé pour chercher une
rentabilité moyen terme.
• Coût total actualisé sur 50 ans : l’horizon d’évaluation est aligné sur la durée de vie la plus longue, à savoir celle de la rénovation thermique, afin de considérer chaque mesure à son plein potentiel.
Le taux d’actualisation considéré pour le calcul du coût total actualisé est de 5%.
Invest. NPC − 10 ans NPC − 20 ans NPC − 50 ans
0 10 20 30 40 Propor
tion des surf
aces réno v ées (%) Niveau de perf. Minimum Standard Performant Paroi Murs Plancher Toiture Vitres
Figure 5.2 – Proportion de surfaces rénovées par type de paroi et profondeur de rénovation selon la stratégie d’optimisation
0 1 2 3 4
Invest. NPC − 10 ans NPC − 20 ans NPC − 50 ans
Puissance installée (MW)
Combustible Bois Électricité Électricité − PAC
Figure 5.3 – Puissances cumulées des chauffages installés par combustible selon la stratégie d’optimisation
● ● ● ● ● ● ● ● 0 2 4 6
Invest. NPC − 10 ans NPC − 20 ans NPC − 50 ans
In
v
estissements (M€)
● Rénovation thermique ● Rempl. chauffage
Figure 5.4 – Investissements dans la rénovation énergétique par type d’actions selon la stratégie d’optimisation
On observe que le remplacement des systèmes de chauffage permet d’atteindre l’objectif de réduction de 50% des émissions de GES à moindre coût d’investissement. En revanche, la rénovation thermique est peu mise en œuvre du fait de son coût d’investissement élevé en comparaison. La biomasse est par ailleurs majoritairement mobilisée, étant donné le faible contenu carbone de son combustible.
La prise en compte de la réduction de la facture énergétique, à travers le coût total actualisé, amène à une installation massive de pompes à chaleur pour réduire la consomma- tion et par conséquence les émissions de GES. On observe également une augmentation de la rentabilité de la rénovation thermique du bâtiment, matérialisée par une augmentation des investissements à mesure que l’horizon considéré croit. Notamment, près de 20% des murs font l’objet d’une rénovation performante à long terme, tout comme près de 30% des vitrages.
Dès lors que l’on considère un horizon temporel d’au moins 20 ans, l’objectif de réduction des émissions de GES est atteint en monopolisant uniquement des rénovations rentables (pour lesquelles on observe N P C ≤ 0). Le détail des indicateurs économiques, énergétiques et environnementaux est présenté dans le Tableau 5.1.
5.2.3 Bouquets de rénovation et gisement de réduction de la consomma-
tion
Déclinaison du problème d’optimisation
Objectif : Minimiser la consommation d’énergie Contraintes : Rentabilité par bâtiment (en coût total)
Paramètres : Taux d’actualisation : 5% Horizon : 20 ans
5.2. Premier cas d’étude : territoire urbain
Stratégie
Initial Inv. NPC 10a NPC 20a NPC 50a Besoin de chauffage (GWh) 14.07 13.57 11.56 10.51 8.56
Reduction (%) - 3.5 17.8 25.3 39.1
Consommation énergétique (GWh) 17.66 15.60 10.18 8.79 7.24
Réduction (%) - 11.7 42.4 50.2 59.0
Émissions de GES (ktCO2e) 3.48 1.74 1.74 1.63 1.37
Réduction (%) - 50.0 50.0 53.2 60.7
Tableau 5.1 – Évolution des indicateurs de la transition énergétique en fonction de la stra- tégie d’optimisation adoptée.
Dans le cadre de la rénovation énergétique des bâtiments, les acteurs promouvant une rénovation performante évoquent souvent l’importance de “ne pas tuer le gisement d’éco- nomies d’énergie”. En effet, la rénovation partielle d’un bâtiment lors d’un premier inves- tissement (murs uniquement par exemple, car c’est l’investissement le plus rentable) peut compromettre la rentabilité de futurs travaux de rénovation sur le même bâtiment. Il est généralement conseillé de réaliser un maximum de travaux en même temps, dans le cadre d’une rénovation rentable globalement plutôt que de diviser les investissements.
Afin de modéliser l’activation de bouquets de rénovation globalement rentables plutôt que de considérer les actions rentables individuellement, nous pouvons reformuler le problème d’optimisation comme présenté par le problème d’optimisation (P-4).
minimiser Z ∑︂ b∈B E(Zb) tel que N P Cb(Zb) − N P Cb0 ≤ 0, ∀b (P-4)
Ce problème cherche à minimiser la consommation d’énergie à l’échelle territoriale en s’assurant de la rentabilité à moyen terme (20 ans) des actions au niveau désagrégé du bâtiment. À l’échelle du territoire d’étude, l’activation des bouquets de rénovations rentables permet d’avoisiner les 65% de réduction de la consommation (pour 68% des émissions).
La Figure 5.5 représente ce gisement de réduction d’énergie accessible avec une rentabi- lité moyen terme de manière désagrégée (bâtiment par bâtiment) sur tout le territoire. La visualisation de données, à travers des cartographies détaillées par exemple, est particuliè- rement prisée des acteurs territoriaux dans le cadre d’une aide à la décision.
5.2.4 Sensibilité aux conditions climatiques
Déclinaison du problème d’optimisation
Figure 5.5 – Visualisation du gisement de réduction de consommation via des actions rentables.
Contraintes : Emissions de GES : 50%
Paramètres : Taux d’actualisation : 5% Horizon : 20 ans
Le besoin de chauffage ainsi que les performances des systèmes dépendent des condi- tions climatiques. Pour un même territoire (en termes de performances thermiques et de systèmes énergétiques), les rénovations à mettre en œuvre pour atteindre un objectif macro de réduction des émissions de GES vont varier selon les conditions climatiques locales. Les Figures 5.6 et 5.7 représentent les stratégies mises en œuvre pour réduire les émissions de GES de 50% à l’échelle du territoire, en considérant 4 climats différents : méditerranéen (Nice), océanique (Bordeaux), océanique dégradé (Paris) et semi-continental (Strasbourg). On observe l’augmentation de la rentabilité de la rénovation thermique avec la rigueur du climat du fait de la plus importante facture énergétique initiale et donc le potentiel d’éco- nomies accrues. Cette observation est particulièrement vraie pour les vitrages, qui ne sont quasiment jamais installés dans un climat méditerranéen, mais font l’objet de rénovations massives (et performantes) pour un climat semi-continental. Les investissements dans les systèmes de chauffage varient quant à eux relativement peu. Le plus faible investissement observé à Nice s’explique par le plus faible dimensionnement des équipements de chauffage, alors que la baisse pour les climats plus froids provient de la plus grande rentabilité de la rénovation thermique. Les PACs restent néanmoins prédominantes du fait de leur grande efficacité, même par climat froid. La légère baisse des investissements dans les systèmes de chauffage peut être imputée à la baisse des performances de ces systèmes ou à une moins