d'un bien immobilier, mais d'un bien délivré avec un contrat de maintenance et un contrat d'optimisation de
la consommation des ressources énergétiques.

D'autres acteurs vont plus loin. Bouygues Immobilier dans le cadre d'Issygrid adopte une stratégie proactive en mettant en place une plateforme commune de réflexion avec des partenaires aux expertises et marchés complémentaires, dont certains sont déjà connus et d'autres nouveaux, grands et petits : Groupe Bouygues (Bouygues Energie et Service, Bouygues Telecom), Alstom, EDF, ERDF, Schneider Electric, Total, Steria, Microsoft, et des start-ups locales. L'idée est de construire ensemble les nouveaux modèles d'affaires pour ces éco-quartiers et leurs solutions énergétiques, de prendre un rôle de prescripteur plutôt que de fournisseurs pour les collectivités. Les partenaires sollicités peuvent être des partenaires de longue date, mais aussi de nouveaux partenaires, pouvant explorer ou offrir de nouvelles pistes d'innovation. Les termes « d'open innovation » et « logique de laboratoire » sont cités ici. Il s'agit de définir la « brique énergétique de la Smartcity » qui repose sur une conduite énergétique des réseaux, avec un niveau d'optimisation multi-énergies, puis un niveau d'analyse, stockage, traitement big data, open data, etc.

La valeur créée par ces nouveaux modèles est radicalement différente : « il y a juste des océans bleus comme on dit, de valeur à aller chercher, qui est une valeur plus complexe à aller chercher parce qu'elle est plus directement dans les domaines d'activités des uns et des autres, mais elle est à la frontière entre ces domaines d'activité. » Les acteurs qui mettent en place ces nouveaux modèles n'hésitent pas à chercher l'inspiration ailleurs, au-delà des projets européens connus, des projets au Japon ou du type Masdar City aux E.A.U. sont cités.

Il devient nécessaire de faire évoluer les compétences au service de la création de valeur liée à l'efficacité énergétique, en formant les équipes en place ou en recrutant des expertises extérieures, une ingénieure thermicienne chez un bailleur social de la Caserne de Bonne par exemple. Un acteur évoque le « changement d'une compétence clé pour le succès de ce type de solutions ». Dans le cadre des modèles d'affaires les plus innovants, les compétences à développer mises en avant par les acteurs interrogés relève davantage de la capacité à faire fonctionner ensemble les solutions énergétiques que de la compétence technique, cf. « les technologies on les a déjà, il n'y a pas de sujet technologique, les sujets c'est plutôt "comment on s'organise entre nous" » (Issygrid). Contrairement à d'autres démarches qui visent à développer les smartgrids, les acteurs du projet Issygrid disent avoir privilégié le territoire plutôt que les technologies comme point de départ de leur réflexion, ce qui va dans le sens du développement des compétences managériales.

L'organisation interne de ces entreprises évolue induisant un changement dans les modes d'organisation du travail (nouvelles procédures, davantage de transversalité) afin de mieux suivre l'atteinte des objectifs. Un bailleur social met en place des procédures afin de faciliter le travail en réseau des acteurs de l'énergie et fait évoluer la répartition des responsabilités en changeant les clauses des conditions de garantie.

Le portefeuille de ressources subit des modifications, soit en réallouant les ressources mobilisées, soit en ajoutant de nouvelles ressources (« Besoin d'aller chercher des nouvelles ressources humaines ayant une bonne compréhension de la nécessité de travailler sur l'objectif de performance énergétique »), à l'instar d'un logiciel de simulation thermique qui permet de mieux anticiper la performance.

Le réseau des partenaires est bousculé. On observe de nouveaux regroupements d'acteurs, de nouvelles conventions du fait du souci accru quant à la performance énergétique. Le bailleur social propose de collectiviser certains locaux afin d'améliorer la performance énergétique. Les solutions en développement devraient être davantage collaboratives, « Dans le cadre d'Issygrid, on est au croisement entre la ville, l'énergie et le numérique, et donc il n'y a pas d'acteurs qui, tout seuls, sont capables d'aller chercher cette valeur. »

Un acteur évoque aussi l'importance de travailler en accord avec le milieu local. Ces modèles d'affaires ne sont transférables que s'ils sont bien admis par la société qui les accueille, « Pour pouvoir développer le business, il faut vraiment être accepté dans la société, si jamais on est "exclus" de la société et qu'on profite juste d'un monopole de faits ou de droits, c'est pas durable ».

Le modèle de revenu est fortement impacté, avec des propositions pour les usagers comme « un prix du kilowatt/heure fixe sur toute l'année et... un mécanisme de sur souscription en permanence et la possibilité de maitriser toujours le delta de sur souscription » ou au contraire avec des offres tarifaires très complexes. Ceci grâce à « des mécanismes d'écrittage...pour essayer de tendre à la puissance souscrite, donc par exemple pour faire de la dé-souscription permanente c'est à dire moins souscrire à l'année et parier sur le stockage d'énergie ».
d'un bien immobilier, mais d'un bien délivré avec un contrat de maintenance et un contrat d'optimisation de
la consommation des ressources énergétiques.

D'autres acteurs vont plus loin. Bouygues Immobilier dans le cadre d'Issygrid adopte une stratégie proactive en mettant en place une plateforme commune de réflexion avec des partenaires aux expertises et marchés complémentaires, dont certains sont déjà connus et d'autres nouveaux, grands et petits : Groupe Bouygues (Bouygues Energie et Service, Bouygues Telecom), Alstom, EDF, ERDF, Schneider Electric, Total, Steria, Microsoft, et des start-ups locales. L'idée est de construire ensemble les nouveaux modèles d'affaires pour ces éco-quartiers et leurs solutions énergétiques, de prendre un rôle de prescripteur plutôt que de fournisseurs pour les collectivités. Les partenaires sollicités peuvent être des partenaires de longue date, mais aussi de nouveaux partenaires, pouvant explorer ou offrir de nouvelles pistes d'innovation. Les termes « d'open innovation » et « logique de laboratoire » sont cités ici. Il s'agit de définir la « brique énergétique de la Smartcity » qui repose sur une conduite énergétique des réseaux, avec un niveau d'optimisation multi-énergies, puis un niveau d'analyse, stockage, traitement big data, open data, etc.

La valeur créée par ces nouveaux modèles est radicalement différente : « il y a juste des océans bleus comme on dit, de valeur à aller chercher, qui est une valeur plus complexe à aller chercher parce qu'elle est plus directement dans les domaines d'activités des uns et des autres, mais elle est à la frontière entre ces domaines d'activité. » Les acteurs qui mettent en place ces nouveaux modèles n'hésitent pas à chercher l'inspiration ailleurs, au-delà des projets européens connus, des projets au Japon ou du type Masdar City aux E.A.U. sont cités.

Il devient nécessaire de faire évoluer les compétences au service de la création de valeur liée à l'efficacité énergétique, en formant les équipes en place ou en recrutant des expertises extérieures, une ingénieure thermicienne chez un bailleur social de la Caserne de Bonne par exemple. Un acteur évoque le « changement d'une compétence clé pour le succès de ce type de solutions ». Dans le cadre des modèles d'affaires les plus innovants, les compétences à développer mises en avant par les acteurs interrogés relève davantage de la capacité à faire fonctionner ensemble les solutions énergétiques que de la compétence technique, cf. « les technologies on les a déjà, il n'y a pas de sujet technologique, les sujets c'est plutôt "comment on s'organise entre nous" » (Issygrid). Contrairement à d'autres démarches qui visent à développer les smartgrids, les acteurs du projet Issygrid disent avoir privilégié le territoire plutôt que les technologies comme point de départ de leur réflexion, ce qui va dans le sens du développement des compétences managériales.

L'organisation interne de ces entreprises évolue induisant un changement dans les modes d'organisation du travail (nouvelles procédures, davantage de transversalité) afin de mieux suivre l'atteinte des objectifs. Un bailleur social met en place des procédures afin de faciliter le travail en réseau des acteurs de l'énergie et fait évoluer la répartition des responsabilités en changeant les clauses des conditions de garantie.

Le portefeuille de ressources subit des modifications, soit en réallouant les ressources mobilisées, soit en ajoutant de nouvelles ressources (« Besoin d'aller chercher des nouvelles ressources humaines ayant une bonne compréhension de la nécessité de travailler sur l'objectif de performance énergétique »), à l'instar d'un logiciel de simulation thermique qui permet de mieux anticiper la performance.

Le réseau des partenaires est bousculé. On observe de nouveaux regroupements d'acteurs, de nouvelles conventions du fait du souci accru quant à la performance énergétique. Le bailleur social propose de collectiviser certains locaux afin d'améliorer la performance énergétique. Les solutions en développement devraient être davantage collaboratives, « Dans le cadre d'Issygrid, on est au croisement entre la ville, l'énergie et le numérique, et donc il n'y a pas d'acteurs qui, tout seuls, sont capables d'aller chercher cette valeur. »

Un acteur évoque aussi l'importance de travailler en accord avec le milieu local. Ces modèles d'affaires ne sont transférables que s'ils sont bien admis par la société qui les accueille, « Pour pouvoir développer le business, il faut vraiment être accepté dans la société, si jamais on est "exclus" de la société et qu'on profite juste d'un monopole de faits ou de droits, c'est pas durable ».

Le modèle de revenu est fortement impacté, avec des propositions pour les usagers comme « un prix du kilowatt/heure fixe sur toute l'année et... un mécanisme de sur souscription en permanence et la possibilité de maitriser toujours le delta de sur souscription » ou au contraire avec des offres tarifaires très complexes. Ceci grâce à « des mécanismes d'écrittage...pour essayer de tendre à la puissance souscrite, donc par exemple pour faire de la dé-souscription permanente c'est à dire moins souscrire à l'année et parier sur le stockage d'énergie ».
La typologie qui a émergé de l'analyse des données rejoint la proposition théorique de John Bessant (Figure 30). Les diverses modifications ayant trait aux modèles d'affaires sont effectivement représentées dans les cas étudiés dans NEXUS, ce qui signifie que les acteurs ont soit cherché à repousser les limites de leurs modèles d'affaires du point de vue de l'offre et du modèle de revenu, soit privilégié l'entrée de nouveaux éléments dans leurs modèles. La catégorie Transformation apporte des éléments clés pour l'élaboration des scenarii à l'horizon 2040. Dans les autres cas on observe davantage d'inertie chez les acteurs, des limites au changement et des freins à l'innovation.

### 6.2.3 Discussion : vers des designs dominants de modèles d'affaires

On observe que les acteurs de l'énergie se comportent différemment pour capturer la valeur liée à la demande de performance énergétique accrue. Certains adaptent marginalement leur modèle d'affaires alors que d'autres les reconsidèrent dans leur intégralité. Les moins innovants – qui mettent en place des modèles de types *Business as usual* et Adaptation remettent peu en cause que certaines composantes de leur business model, et cela tant que leur modèle de revenu demeure rentable. Les plus innovants qui sont dans la Transformation introduisent des technologies qui marquent la rupture, à l'instar des logiciels de simulation énergétique. Ils sont dans une stratégie proactive.

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>Figure 31: Typologie d'évolution des modèles d'affaires de NEXUS</figcaption></figure>

On s'approche ici de la notion d'innovation transformationnelle introduite par Nagji & Tuff (2012). Cette approche s'inspire de la gestion de portefeuille d'innovation dans des situations où les ruptures s'inscrivent dans les stratégies d'innovation en même temps que les approches incrémentales.
La typologie qui a émergé de l'analyse des données rejoint la proposition théorique de John Bessant (Figure 30). Les diverses modifications ayant trait aux modèles d'affaires sont effectivement représentées dans les cas étudiés dans NEXUS, ce qui signifie que les acteurs ont soit cherché à repousser les limites de leurs modèles d'affaires du point de vue de l'offre et du modèle de revenu, soit privilégié l'entrée de nouveaux éléments dans leurs modèles. La catégorie Transformation apporte des éléments clés pour l'élaboration des scenarii à l'horizon 2040. Dans les autres cas on observe davantage d'inertie chez les acteurs, des limites au changement et des freins à l'innovation.

### 6.2.3 Discussion : vers des designs dominants de modèles d'affaires

On observe que les acteurs de l'énergie se comportent différemment pour capturer la valeur liée à la demande de performance énergétique accrue. Certains adaptent marginalement leur modèle d'affaires alors que d'autres les reconsidèrent dans leur intégralité. Les moins innovants – qui mettent en place des modèles de types *Business as usual* et Adaptation remettent peu en cause que certaines composantes de leur business model, et cela tant que leur modèle de revenu demeure rentable. Les plus innovants qui sont dans la Transformation introduisent des technologies qui marquent la rupture, à l'instar des logiciels de simulation énergétique. Ils sont dans une stratégie proactive.

<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 31: Typologie d'évolution des modèles d'affaires de NEXUS</figcaption></figure>

On s'approche ici de la notion d'innovation transformationnelle introduite par Nagji & Tuff (2012). Cette approche s'inspire de la gestion de portefeuille d'innovation dans des situations où les ruptures s'inscrivent dans les stratégies d'innovation en même temps que les approches incrémentales.
<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>Figure 32: Portefeuille dynamique de modèles d'affaires (inspiré de Nagji & Tuff, 2012)</figcaption></figure>

Les premiers travaux empiriques montrent que les modèles d'affaires du type transformationnel représentent, au sein d'entreprises reconnues comme innovantes, 30% de leur budget innovation et contribuent à hauteur de 70% de la valeur ajoutée de l'innovation, tous types confondus (Nagji & Tuff, 2012). Les résultats de NEXUS ne permettent pas un tel chiffrage, toutefois la démarche adoptée par les acteurs d'Issygrid tend vers un fort rendement des investissements en innovation.

Dans ce cadre, les modèles du type *Business as usual* et *Adaptation* peuvent être rapprochés des innovations qualifiées de *core* par Nagji & Tuff, parce qu'ils s'appuient sur les marchés existants et délivrent des produits améliorés incrémentalement. Les modèles Opportunisme sont comparables aux innovations du type Adjacent, en proposant de nouvelles offres incrémentales vers des marchés étendus ou modifiés sous la pression de changement externe comme de nouvelles réglementations.

La compréhension plus fine des trajectoires d'acteurs qui se fédèrent autour de grands projets communs, en préemptant des financements publics incitatifs, nous permet maintenant de formuler des hypothèses quant à une typologie de comportements collectifs : évolutifs dans une logique dominante du modèle d'affaires du leader, *adjacents* en apportant des critères et ou une performance différents, transformationnels en modifiant sensiblement les critères dominants de création et de capture de valeur. Nous pourrions tester ces hypothèses de manière quantitative dans une future recherche.

La transition énergétique devrait s'appuyer sur une transition des modèles d'affaires des acteurs impliqués dans la construction de solutions énergétiques pour les éco-quartiers. La construction collective de ces modèles d'affaires est une clé d'autant plus intéressante qu'elle devrait permettre une sélection des acteurs les plus pertinents. En effet comme le souligne un des entretiens : « C'est difficile de se grouper. Ca nécessite des modes de gouvernance un peu nouveaux, où il faut systématiquement chasser en meute, et je pense qu'aujourd'hui, c'est des vrais relais de croissance importants. Dans des périodes un peu plus difficile, c'est normal que la valeur soit un peu plus difficile à aller chercher, mais ce qui est intéressant c'est que du coup ça fait une barrière à l'entrée beaucoup plus importante pour des acteurs un peu plus low cost je dirais par exemple, et donc motiver à aller chercher par les temps qui courent ».

L'analyse de ces dynamiques de business models laisse entrevoir l'émergence de « design dominant » d'éco-quartiers en termes de business models :

- Design dominant « de la construction », celui de la continuité : on cible toujours des clients existants sur des marchés établis avec une offre qui n'utilise que des produits et des atouts existants et disponibles en tenant compte de la logique de standards de construction et d'habitation évolutifs ;
<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Figure 32: Portefeuille dynamique de modèles d'affaires (inspiré de Nagji & Tuff, 2012)</figcaption></figure>

Les premiers travaux empiriques montrent que les modèles d'affaires du type transformationnel représentent, au sein d'entreprises reconnues comme innovantes, 30% de leur budget innovation et contribuent à hauteur de 70% de la valeur ajoutée de l'innovation, tous types confondus (Nagji & Tuff, 2012). Les résultats de NEXUS ne permettent pas un tel chiffrage, toutefois la démarche adoptée par les acteurs d'Issygrid tend vers un fort rendement des investissements en innovation.

Dans ce cadre, les modèles du type *Business as usual* et *Adaptation* peuvent être rapprochés des innovations qualifiées de *core* par Nagji & Tuff, parce qu'ils s'appuient sur les marchés existants et délivrent des produits améliorés incrémentalement. Les modèles Opportunisme sont comparables aux innovations du type Adjacent, en proposant de nouvelles offres incrémentales vers des marchés étendus ou modifiés sous la pression de changement externe comme de nouvelles réglementations.

La compréhension plus fine des trajectoires d'acteurs qui se fédèrent autour de grands projets communs, en préemptant des financements publics incitatifs, nous permet maintenant de formuler des hypothèses quant à une typologie de comportements collectifs : évolutifs dans une logique dominante du modèle d'affaires du leader, *adjacents* en apportant des critères et ou une performance différents, transformationnels en modifiant sensiblement les critères dominants de création et de capture de valeur. Nous pourrions tester ces hypothèses de manière quantitative dans une future recherche.

La transition énergétique devrait s'appuyer sur une transition des modèles d'affaires des acteurs impliqués dans la construction de solutions énergétiques pour les éco-quartiers. La construction collective de ces modèles d'affaires est une clé d'autant plus intéressante qu'elle devrait permettre une sélection des acteurs les plus pertinents. En effet comme le souligne un des entretiens : « C'est difficile de se grouper. Ca nécessite des modes de gouvernance un peu nouveaux, où il faut systématiquement chasser en meute, et je pense qu'aujourd'hui, c'est des vrais relais de croissance importants. Dans des périodes un peu plus difficile, c'est normal que la valeur soit un peu plus difficile à aller chercher, mais ce qui est intéressant c'est que du coup ça fait une barrière à l'entrée beaucoup plus importante pour des acteurs un peu plus low cost je dirais par exemple, et donc motiver à aller chercher par les temps qui courent ».

L'analyse de ces dynamiques de business models laisse entrevoir l'émergence de « design dominant » d'éco-quartiers en termes de business models :

- Design dominant « de la construction », celui de la continuité : on cible toujours des clients existants sur des marchés établis avec une offre qui n'utilise que des produits et des atouts existants et disponibles en tenant compte de la logique de standards de construction et d'habitation évolutifs ;
- Design dominant « du territoire et de l'urbanisation », celui de l'image et de l'attractivité : c'est le projet unique à rayonnement national voire international ;

- Design dominant « des défis technologiques», celui de la technologie et de l'innovation : c'est le projet qui veut établir de nouvelles règles du jeu avec l'arrivée (si possible maîtrisée) de nouveaux entrants (cf. Issygrid) et imposer, à moyen terme, de nouveaux standards qui vont probablement sortir la plupart des acteurs établis.

## 6.3 Bibliographie

Jacobsson & Bergek, 2004. Transforming the energy sector: the evolution of technological systems in revewable energy technology, *Industrial and Corporate Change*.

Johnson & Suskewicz, 2009. How to jump – Start- the clean-tech economy, *Harvard Business Review*.

Nagji & Tuff, 2012. Managing your portfolio of innovation, *Harvard Business Review*.

Pinkse, Bohnsack & Kolk, 2013. The role of public and private protection in disruptive innovation: The automotive industry and the emergence of low-emission vehicles, *Journal of Product Innovation Management*, Forthcoming.

Porter, 1990. *The Competitive advantage of nations*, New York, NY: The Free Press.
- Design dominant « du territoire et de l'urbanisation », celui de l'image et de l'attractivité : c'est le projet unique à rayonnement national voire international ;

- Design dominant « des défis technologiques», celui de la technologie et de l'innovation : c'est le projet qui veut établir de nouvelles règles du jeu avec l'arrivée (si possible maîtrisée) de nouveaux entrants (cf. Issygrid) et imposer, à moyen terme, de nouveaux standards qui vont probablement sortir la plupart des acteurs établis.

## 6.3 Bibliographie

Jacobsson & Bergek, 2004. Transforming the energy sector: the evolution of technological systems in revewable energy technology, *Industrial and Corporate Change*.

Johnson & Suskewicz, 2009. How to jump – Start- the clean-tech economy, *Harvard Business Review*.

Nagji & Tuff, 2012. Managing your portfolio of innovation, *Harvard Business Review*.

Pinkse, Bohnsack & Kolk, 2013. The role of public and private protection in disruptive innovation: The automotive industry and the emergence of low-emission vehicles, *Journal of Product Innovation Management*, Forthcoming.

Porter, 1990. *The Competitive advantage of nations*, New York, NY: The Free Press.
# 7 Chapitre 7 – Combinaisons de technologies de stockage de l'énergie en lien avec la consommation et production dans le bâtiment et la ville

Patrice Schneuwly

## 7.1 Introduction

Ce chapitre porte sur les technologies de l'énergie utilisables dans les bâtiments ou les réseaux énergétiques urbains, développées actuellement en laboratoire à l'état de démonstrateurs ou de prototypes. Il décrit et caractérise (en terme Facteur 4 et de possibilité de gestion des intermittences) les technologies susceptibles d'être assemblées dans un nœud d'aujourd'hui à 2040. Pour ce faire, et pour prendre en compte le virage amorcé sur la mixité énergétique, incluant de fait les énergies renouvelables, l'approche met en valeur le stockage de l'énergie indissociable de la mixité et de la gestion intelligente de l'énergie et des réseaux.

Dans cette partie, nous dresserons des connaissances liées aux technologies émergentes de l'énergie susceptibles d'être intégrées dans un système :

* en fonction des usages thermiques et électriques,

* mobilisant les ressources variées, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un stockage,

* utilisant les différents types de stockage, quand ils sont nécessaires.

La réflexion sur les assemblages énergétique doit permettre de faire le lien entre les velléités des différents acteurs à interagir entre eux, à quelle échelle et les contraintes techniques que ça implique au niveau stockage/intermittence. Ainsi comme le montre le débat sur la transition énergétique de la France, à l'avenir, il y a nécessité de placer l'usager au centre d'une politique énergétique et de faire en sorte que le producteur s'adapte à une demande qui devra être rendue plus adaptable. De ce fait ces connaissances, relatives aux technologies émergentes de l'énergie, apportent des éléments en termes :

* d'échelle, du bâtiment à la ville,

* d'acteurs, énergétique dont ceux liés au stockage,

* d'intermittence, apportant des notions de temporalité du stockage, et de maturité de celui-ci.

## 7.2 Le stockage stationnaire de l'énergie

Dans un premier temps, nous présentons des éléments de compréhension liés au stockage stationnaire de l'énergie. Pourquoi la notion de stockage d'énergie a été mise en avant ? Cette notion d'un point de vue technique est essentielle pour apporter de la flexibilité et renforcer la fiabilité des systèmes énergétiques. Ainsi, comme spécifié en introduction, deux types de stockage sont privilégiés : le stockage thermique (chaleur ou froid) et le stockage d'énergie électrique.

Le stockage d'énergie sous forme de chaleur ou de froid permet d'optimiser en limitant le dimensionnement d'installations et leurs coûts opérationnels, face à une grande variation temporelle (journalière ou saisonnière) de la demande. La chaleur peut être stockée directement via un matériau spécifique ou transformée, en énergie chimique par exemple.

Le tableau suivant donne les formes de stockage possibles :

<table><caption>Tableau 1 : Stockage d'énergie sous forme thermique avant restitution sous forme de chaleur</caption><thead><tr><th></th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>Stockage par chaleur sensible</td><td>Utilisation d'un matériau (liquide, solide) qui emmagasine la chaleur apportée pour la restituer ultérieurement</td></tr><tr><td>Stockage thermochimique</td><td>Utilisation d'un réactif dont la réaction chimique réversible est endothermique et exothermique<sup>80</sup></td></tr><tr><td>Stockage par chaleur latente</td><td>Utilisation d'un matériau dont l'apport de chaleur entraîne un changement de phase<sup>81</sup> et qui restitue cette chaleur en sens inverse</td></tr></tbody></table>

<footnote n="80">80 Une réaction chimique peut consommer de la chaleur dans un sens (endothermique) et en produire dans l'autre (exothermique)</footnote>

<footnote n="81">81 La paraffine change de phase, c'est-à-dire passe de l'état solide à liquide, à 70°C environ. Elle est capable de restituer cette chaleur en repassant de l'état liquide à solide.</footnote>
# 7 Chapitre 7 – Combinaisons de technologies de stockage de l'énergie en lien avec la consommation et production dans le bâtiment et la ville

Patrice Schneuwly

## 7.1 Introduction

Ce chapitre porte sur les technologies de l'énergie utilisables dans les bâtiments ou les réseaux énergétiques urbains, développées actuellement en laboratoire à l'état de démonstrateurs ou de prototypes. Il décrit et caractérise (en terme Facteur 4 et de possibilité de gestion des intermittences) les technologies susceptibles d'être assemblées dans un nœud d'aujourd'hui à 2040. Pour ce faire, et pour prendre en compte le virage amorcé sur la mixité énergétique, incluant de fait les énergies renouvelables, l'approche met en valeur le stockage de l'énergie indissociable de la mixité et de la gestion intelligente de l'énergie et des réseaux.

Dans cette partie, nous dresserons des connaissances liées aux technologies émergentes de l'énergie susceptibles d'être intégrées dans un système :

* en fonction des usages thermiques et électriques,

* mobilisant les ressources variées, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un stockage,

* utilisant les différents types de stockage, quand ils sont nécessaires.

La réflexion sur les assemblages énergétique doit permettre de faire le lien entre les velléités des différents acteurs à interagir entre eux, à quelle échelle et les contraintes techniques que ça implique au niveau stockage/intermittence. Ainsi comme le montre le débat sur la transition énergétique de la France, à l'avenir, il y a nécessité de placer l'usager au centre d'une politique énergétique et de faire en sorte que le producteur s'adapte à une demande qui devra être rendue plus adaptable. De ce fait ces connaissances, relatives aux technologies émergentes de l'énergie, apportent des éléments en termes :

* d'échelle, du bâtiment à la ville,

* d'acteurs, énergétique dont ceux liés au stockage,

* d'intermittence, apportant des notions de temporalité du stockage, et de maturité de celui-ci.

## 7.2 Le stockage stationnaire de l'énergie

Dans un premier temps, nous présentons des éléments de compréhension liés au stockage stationnaire de l'énergie. Pourquoi la notion de stockage d'énergie a été mise en avant ? Cette notion d'un point de vue technique est essentielle pour apporter de la flexibilité et renforcer la fiabilité des systèmes énergétiques. Ainsi, comme spécifié en introduction, deux types de stockage sont privilégiés : le stockage thermique (chaleur ou froid) et le stockage d'énergie électrique.

Le stockage d'énergie sous forme de chaleur ou de froid permet d'optimiser en limitant le dimensionnement d'installations et leurs coûts opérationnels, face à une grande variation temporelle (journalière ou saisonnière) de la demande. La chaleur peut être stockée directement via un matériau spécifique ou transformée, en énergie chimique par exemple.

Le tableau suivant donne les formes de stockage possibles :

<table><caption>Tableau 1 : Stockage d'énergie sous forme thermique avant restitution sous forme de chaleur</caption><thead><tr><th></th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>Stockage par chaleur sensible</td><td>Utilisation d'un matériau (liquide, solide) qui emmagasine la chaleur apportée pour la restituer ultérieurement</td></tr><tr><td>Stockage thermochimique</td><td>Utilisation d'un réactif dont la réaction chimique réversible est endothermique et exothermique<sup>80</sup></td></tr><tr><td>Stockage par chaleur latente</td><td>Utilisation d'un matériau dont l'apport de chaleur entraîne un changement de phase<sup>81</sup> et qui restitue cette chaleur en sens inverse</td></tr></tbody></table>

<footnote n="80">80 Une réaction chimique peut consommer de la chaleur dans un sens (endothermique) et en produire dans l'autre (exothermique)</footnote>

<footnote n="81">81 La paraffine change de phase, c'est-à-dire passe de l'état solide à liquide, à 70°C environ. Elle est capable de restituer cette chaleur en repassant de l'état liquide à solide.</footnote>
Le stockage d'électricité permet d'apporter une capacité de production décarbonée en soutien des énergies intermittentes (éolien, solaire) ou pour répondre à des aléas systémiques (secours, systèmes de haute disponibilité). À ce jour, le stockage direct de l'énergie électrique n'étant pas possible, l'électricité est convertie en énergie potentielle qui est stockée puis récupérée et retransformée pour être utilisable.

Il existe 6 formes de stockage d'énergie électrique, les 5 suivantes :

<table><caption>Tableau 2 : Stockage d'électricité nécessitant plusieurs étapes de transformation</caption><thead><tr><th></th><th>Transformation Amont</th><th>Stockage d'énergie</th><th>Transformation Aval</th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>Electrochimie – Accumulateurs</td><td>Réaction électrochimique</td><td>Potentiel électrochimique</td><td>Réaction électrochimique inverse</td><td>Stockage électrochimique / chimique</td></tr><tr><td>Hydrogène</td><td>Electrolyse de l'eau</td><td>Hydrogène</td><td>Pile à combustible</td><td></td></tr><tr><td>Inertie – Volant d'inertie</td><td>Moteur entraînant un disque</td><td>Energie cinétique de rotation</td><td>Alternateur récupérant l'énergie cinétique</td><td></td></tr><tr><td>Gravitaire – STEP<sup>82</sup></td><td>Pompage</td><td>Energie potentielle gravitaire</td><td>Turbinage</td><td>Stockage mécanique</td></tr><tr><td>Air comprimé – CAES<sup>83</sup></td><td>Compresseur</td><td>Air comprimé</td><td>Turbinage</td><td></td></tr></tbody></table>

Il existe aussi un stockage sous la forme d'énergie magnétique grâce à l'utilisation de bobines supraconductrices, ou SMES<fnref n="84" />. Elle est ensuite directement restituée sous forme électrique.

D'un point de vue économique, le stockage de l'énergie permet :

* la récupération de la production d'énergie excédentaire par rapport à la demande du moment,

* la fourniture d'énergie pour compenser l'insuffisance due au caractère intermittent de l'offre,

* la fourniture d'énergie pour alimenter un pic de demande occasionnel,

* la fourniture d'énergie en cas de défaillance système ou réseau.

### 7.2.1 L'usage du stockage et l'assemblage possible avec les EnR

De manière à apporter des éléments de réflexion sur la scénarisation de l'assemblage des nœuds sociaux énergétiques à 2040, un tableau de synthèse (cf. ci-dessous) a été établi sur les différentes technologies de stockage, avec les variables suivantes :

* l'échelle,

* les acteurs,

* les objectifs pour l'énergie d'usage,

* l'intermittence,

* l'assemblage avec la production énergétique, et le couplage possible avec des EnR,

* l'usage du stockage.

<footnote n="82">⁸² Station de Transfert d'Energie par Pompage</footnote>

<footnote n="83">⁸³ Compressed Air Electricity Storage</footnote>

<footnote n="84">⁸⁴ Superconducting Magnetic Energy Storages</footnote>
Le stockage d'électricité permet d'apporter une capacité de production décarbonée en soutien des énergies intermittentes (éolien, solaire) ou pour répondre à des aléas systémiques (secours, systèmes de haute disponibilité). À ce jour, le stockage direct de l'énergie électrique n'étant pas possible, l'électricité est convertie en énergie potentielle qui est stockée puis récupérée et retransformée pour être utilisable.

Il existe 6 formes de stockage d'énergie électrique, les 5 suivantes :

<table><caption>Tableau 2 : Stockage d'électricité nécessitant plusieurs étapes de transformation</caption><thead><tr><th></th><th>Transformation Amont</th><th>Stockage d'énergie</th><th>Transformation Aval</th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>Electrochimie – Accumulateurs</td><td>Réaction électrochimique</td><td>Potentiel électrochimique</td><td>Réaction électrochimique inverse</td><td>Stockage électrochimique / chimique</td></tr><tr><td>Hydrogène</td><td>Electrolyse de l'eau</td><td>Hydrogène</td><td>Pile à combustible</td><td></td></tr><tr><td>Inertie – Volant d'inertie</td><td>Moteur entraînant un disque</td><td>Energie cinétique de rotation</td><td>Alternateur récupérant l'énergie cinétique</td><td></td></tr><tr><td>Gravitaire – STEP<sup>82</sup></td><td>Pompage</td><td>Energie potentielle gravitaire</td><td>Turbinage</td><td>Stockage mécanique</td></tr><tr><td>Air comprimé – CAES<sup>83</sup></td><td>Compresseur</td><td>Air comprimé</td><td>Turbinage</td><td></td></tr></tbody></table>

Il existe aussi un stockage sous la forme d'énergie magnétique grâce à l'utilisation de bobines supraconductrices, ou SMES<fnref n="84" />. Elle est ensuite directement restituée sous forme électrique.

D'un point de vue économique, le stockage de l'énergie permet :

* la récupération de la production d'énergie excédentaire par rapport à la demande du moment,

* la fourniture d'énergie pour compenser l'insuffisance due au caractère intermittent de l'offre,

* la fourniture d'énergie pour alimenter un pic de demande occasionnel,

* la fourniture d'énergie en cas de défaillance système ou réseau.

### 7.2.1 L'usage du stockage et l'assemblage possible avec les EnR

De manière à apporter des éléments de réflexion sur la scénarisation de l'assemblage des nœuds sociaux énergétiques à 2040, un tableau de synthèse (cf. ci-dessous) a été établi sur les différentes technologies de stockage, avec les variables suivantes :

* l'échelle,

* les acteurs,

* les objectifs pour l'énergie d'usage,

* l'intermittence,

* l'assemblage avec la production énergétique, et le couplage possible avec des EnR,

* l'usage du stockage.

<footnote n="82">⁸² Station de Transfert d'Energie par Pompage</footnote>

<footnote n="83">⁸³ Compressed Air Electricity Storage</footnote>

<footnote n="84">⁸⁴ Superconducting Magnetic Energy Storages</footnote>
<table><thead><tr><th rowspan="2">Technologies de stockage</th><th rowspan="2">Echelle</th><th rowspan="2">Acteurs</th><th colspan="2">Objectif pour l'énergie d'usage</th><th rowspan="2">Temporalité du stockage</th><th rowspan="2">Assemblage avec production énergétique et couplage EnR possible</th><th rowspan="2">Usage du stockage</th></tr><tr><th>Electricité</th><th>Chaleur</th></tr></thead><tbody><tr><td>Le volant d'inertie</td><td>Région, Ville, Quartier</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Qualité de l'électricité</td><td></td><td>De l'ordre de la minute à la 1/2h</td><td>Tout type de production électrique primaire : centrales, barrage, ....</td><td>Réglage du primaire en particulier la fréquence</td></tr><tr><td>La batterie à circulation ou « Redox-Flow », à « réservoir » variable</td><td>Ville, Quartier</td><td>Producteur Distributeur Usager</td><td>Equilibre production /consommation, maintien approvisionnement, et indépendance tarif électricité</td><td></td><td>Plusieurs heures</td><td>Couplage possible avec une production EnR d'électricité par système photovoltaïque (voir fiche Centrales Photovoltaïques) ou éolien</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique : lissage réseau, alimentation de secours, site isolé</td></tr><tr><td>La batterie plomb, Lithium-ion, ..., à réservoir fixe</td><td>Quartier, Ilot, Bâtiment, Log<sup>t</sup></td><td>Producteur Distributeur Usager</td><td>Dito ci-dessus</td><td></td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus, avec des restrictions suivant les technologies de batteries</td></tr><tr><td>Le stockage massif d'électricité sous forme thermique</td><td>Région, Quartier, Ilot ?, Bâtiment ?</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Report énergie heures creuses vers heures pleines, et participation aux services systèmes</td><td></td><td>Journalier, Hebdomadaire ?</td><td>Tout type de production électrique primaire : centrales, barrage, ....</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique pour le lissage réseau</td></tr><tr><td>STEP - Station de transfert d'énergie par pompage (échelle réduite)</td><td>Bâtiment</td><td>Producteur</td><td>DC produit par PV et éolien (consommé directement par des LEDs) et par batteries</td><td></td><td>Journalier</td><td>Couplage avec une production EnR d'électricité par système photovoltaïque et éolien qui charge des batteries</td><td>Assure l'équilibre production /consommation, le maintien de l'approvisionnement, et est indépendant du tarif de l'électricité</td></tr><tr><td>CAES - Stockage par air comprimé</td><td>Région, Ville</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Report énergie heures creuses vers heures pleines, et participation aux services systèmes</td><td></td><td>Journalier</td><td>Tout type de production électrique primaire : centrales, barrage, ....</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique pour le lissage réseau</td></tr><tr><td>Stockage sous forme d'hydrogène</td><td>Ville, Quartier</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Equilibre production /consommation, maintien approvisionnement, et indépendance tarif électricité</td><td></td><td>Journalier Hebdomadaire Mensuel</td><td>Couplage possible avec une production EnR d'électricité par système photovoltaïque (voir fiche Centrales Photovoltaïques) ou éolien</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique pour le lissage réseau</td></tr><tr><td>Stockage thermique par chaleur sensible</td><td>Quartier, Ilot, Bâtiment, Log<sup>t</sup></td><td>Distributeur Usager</td><td>Le stockage thermique peut participer à une production d'électricité (suivant sa température)</td><td>Apport de chaleur à un système de production de chauffage et ECS</td><td>Journalier Inter-saisonnier pour des grosses capacités</td><td>Couplage possible avec une production EnR d'électricité thermodynamique par système solaire thermique à concentration (haute température avec réflecteurs, trackers, et récepteur)</td><td>Stockage court-terme (journalier) pour prendre en compte l'intermittence de la ressource solaire et le déphasage jour/nuit, ou été/hiver pour les grosses capacités</td></tr><tr><td>Le stockage thermique par changement de phase</td><td>Ilot, Bâtiment Log<sup>t</sup></td><td>Distributeur Usager</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Journalier</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus</td></tr><tr><td>Le stockage thermochimique</td><td>Quartier, Ilot, Bâtiment Log<sup>t</sup></td><td>Distributeur Usager</td><td></td><td>Apport de chaleur à un système de production de chauffage et ECS</td><td>Inter-saisonnier</td><td>Couplage possible avec une production EnR de chaleur par système solaire thermique (basse température avec capteurs, échangeurs, ballon de stockage)</td><td>Stockage inter-saisonnier du « surplus » d'énergie solaire thermique</td></tr></tbody></table>

Légende : Technologie analysée Vecteur énergétique électrique Vecteur énergétique chaleur Vecteur énergétique mixte
<table><thead><tr><th rowspan="2">Technologies de stockage</th><th rowspan="2">Echelle</th><th rowspan="2">Acteurs</th><th colspan="2">Objectif pour l'énergie d'usage</th><th rowspan="2">Temporalité du stockage</th><th rowspan="2">Assemblage avec production énergétique et couplage EnR possible</th><th rowspan="2">Usage du stockage</th></tr><tr><th>Electricité</th><th>Chaleur</th></tr></thead><tbody><tr><td>Le volant d'inertie</td><td>Région, Ville, Quartier</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Qualité de l'électricité</td><td></td><td>De l'ordre de la minute à la 1/2h</td><td>Tout type de production électrique primaire : centrales, barrage, ....</td><td>Réglage du primaire en particulier la fréquence</td></tr><tr><td>La batterie à circulation ou « Redox-Flow », à « réservoir » variable</td><td>Ville, Quartier</td><td>Producteur Distributeur Usager</td><td>Equilibre production /consommation, maintien approvisionnement, et indépendance tarif électricité</td><td></td><td>Plusieurs heures</td><td>Couplage possible avec une production EnR d'électricité par système photovoltaïque (voir fiche Centrales Photovoltaïques) ou éolien</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique : lissage réseau, alimentation de secours, site isolé</td></tr><tr><td>La batterie plomb, Lithium-ion, ..., à réservoir fixe</td><td>Quartier, Ilot, Bâtiment, Log<sup>t</sup></td><td>Producteur Distributeur Usager</td><td>Dito ci-dessus</td><td></td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus, avec des restrictions suivant les technologies de batteries</td></tr><tr><td>Le stockage massif d'électricité sous forme thermique</td><td>Région, Quartier, Ilot ?, Bâtiment ?</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Report énergie heures creuses vers heures pleines, et participation aux services systèmes</td><td></td><td>Journalier, Hebdomadaire ?</td><td>Tout type de production électrique primaire : centrales, barrage, ....</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique pour le lissage réseau</td></tr><tr><td>STEP - Station de transfert d'énergie par pompage (échelle réduite)</td><td>Bâtiment</td><td>Producteur</td><td>DC produit par PV et éolien (consommé directement par des LEDs) et par batteries</td><td></td><td>Journalier</td><td>Couplage avec une production EnR d'électricité par système photovoltaïque et éolien qui charge des batteries</td><td>Assure l'équilibre production /consommation, le maintien de l'approvisionnement, et est indépendant du tarif de l'électricité</td></tr><tr><td>CAES - Stockage par air comprimé</td><td>Région, Ville</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Report énergie heures creuses vers heures pleines, et participation aux services systèmes</td><td></td><td>Journalier</td><td>Tout type de production électrique primaire : centrales, barrage, ....</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique pour le lissage réseau</td></tr><tr><td>Stockage sous forme d'hydrogène</td><td>Ville, Quartier</td><td>Producteur Distributeur</td><td>Equilibre production /consommation, maintien approvisionnement, et indépendance tarif électricité</td><td></td><td>Journalier Hebdomadaire Mensuel</td><td>Couplage possible avec une production EnR d'électricité par système photovoltaïque (voir fiche Centrales Photovoltaïques) ou éolien</td><td>Appliquée dans la distribution de l'énergie électrique pour le lissage réseau</td></tr><tr><td>Stockage thermique par chaleur sensible</td><td>Quartier, Ilot, Bâtiment, Log<sup>t</sup></td><td>Distributeur Usager</td><td>Le stockage thermique peut participer à une production d'électricité (suivant sa température)</td><td>Apport de chaleur à un système de production de chauffage et ECS</td><td>Journalier Inter-saisonnier pour des grosses capacités</td><td>Couplage possible avec une production EnR d'électricité thermodynamique par système solaire thermique à concentration (haute température avec réflecteurs, trackers, et récepteur)</td><td>Stockage court-terme (journalier) pour prendre en compte l'intermittence de la ressource solaire et le déphasage jour/nuit, ou été/hiver pour les grosses capacités</td></tr><tr><td>Le stockage thermique par changement de phase</td><td>Ilot, Bâtiment Log<sup>t</sup></td><td>Distributeur Usager</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Journalier</td><td>Dito ci-dessus</td><td>Dito ci-dessus</td></tr><tr><td>Le stockage thermochimique</td><td>Quartier, Ilot, Bâtiment Log<sup>t</sup></td><td>Distributeur Usager</td><td></td><td>Apport de chaleur à un système de production de chauffage et ECS</td><td>Inter-saisonnier</td><td>Couplage possible avec une production EnR de chaleur par système solaire thermique (basse température avec capteurs, échangeurs, ballon de stockage)</td><td>Stockage inter-saisonnier du « surplus » d'énergie solaire thermique</td></tr></tbody></table>

Légende : Technologie analysée Vecteur énergétique électrique Vecteur énergétique chaleur Vecteur énergétique mixte
### 7.2.2 L'échelle des variables au niveau de l'écoquartier

Notre étude se base sur la gestion de l'énergie de l'échelle du bâtiment, s'il permet de stocker de l'énergie, jusqu'à l'échelle de la ville, qui semble être le niveau requis pour une gestion intelligente de celle-ci, et qui est la limite du périmètre du projet NEXUS.

Une approche initiale a été menée sur la combinaison des moyens de production d'énergie (électrique, chaleur et mixte), et des moyens de stockage possibles de celle-ci à une échelle qui portait de la région au bâtiment. Les exemples donnés regroupaient production et stockage d'énergie. Ils ne mettaient pas en lumière les possibilités d'intégration dans des assemblages urbains. Nous avons donc privilégié les échelles suivantes rencontrées dans un écoquartier :

* logement,

* bâtiment,

* îlot,

* quartier,

* ville.

L'approche menée met en exergue à chaque échelle, et par vecteur (soit électrique, soit chaleur) les variables suivantes :

* la technologie de production d'énergie, suivant le vecteur, y compris les EnR,

* l'acteur (pour la gestion et la maintenance) porteur de la production (ou transformation : électrique en thermique) d'énergie,

* l'usage du stockage aujourd'hui ou celui qui serait fait demain (projection dans le futur),

* la temporalité de ce stockage,

* la forme du stockage,

* les acteurs du stockage aujourd'hui ou ceux de demain (projection dans le futur),

* le couplage avec les EnR,

* le niveau de maturité du stockage.

Les tableaux concernant les échelles du bâtiment, de l'îlot et du quartier sont fournis en fin de chapitre. L'ensemble des tableaux pour les autres échelles est fourni en annexe VII.

### 7.2.3 Les technologies énergétiques du futur

Les technologies énergétiques de production au niveau de l'écoquartier ont été abordées dans le livrable 1 du projet Nexus. Les niveaux de maturité de ces technologies ont été donnés avec des perspectives de développement à l'échelle industrielle entre 5 et 10 ans. Ce dernier livrable comportait également des technologies de stockage de l'énergie, tel que les accumulateurs électriques (plus communément appelés batteries), le stockage de chaleur de façon passive par le bâtiment (l'inertie) et de façon active (ballon d'eau chaude), et le stockage des produits combustibles (comme la biomasse ou les énergies fossiles). La liste des écoquartiers utilisant certaines de ces technologies, ont été cités dans le livrable 1.

Pour compléter les analyses de technologies énergétiques faites dans le livrable 1, une fiche sur le stockage de chaleur avec couplage d'EnR dans un écoquartier a été produite, ainsi qu'une fiche sur le solaire thermique collectif (cf. annexe VIII).

Ces éléments serviront de matériau utilisé lors de la scénarisation de l'assemblage des nœuds sociaux énergétiques à 2040 dans les prochaines étapes du projet Nexus.

Pour ce qui concerne les différentes technologies de stockage, aucune fiche d'analyse n'a été établie car, hormis les systèmes de transfert d'énergie par pompage (STEP en Anglais) et les ballons d'eau chaude, les autres technologies sont soient en cours d'industrialisation, et conservent une phase de recherche et développement en vue d'apporter les améliorations nécessaires, soient au stade de l'étude en laboratoire.

### 7.2.4 Conclusions sur les technologies de stockage énergétiques du futur

Le système énergétique électrique national a recours, depuis longtemps, au stockage stationnaire de l'énergie, notamment pour gérer des périodes de forte demande au cours de la journée (stockage d'eau chaude dans des
### 7.2.2 L'échelle des variables au niveau de l'écoquartier

Notre étude se base sur la gestion de l'énergie de l'échelle du bâtiment, s'il permet de stocker de l'énergie, jusqu'à l'échelle de la ville, qui semble être le niveau requis pour une gestion intelligente de celle-ci, et qui est la limite du périmètre du projet NEXUS.

Une approche initiale a été menée sur la combinaison des moyens de production d'énergie (électrique, chaleur et mixte), et des moyens de stockage possibles de celle-ci à une échelle qui portait de la région au bâtiment. Les exemples donnés regroupaient production et stockage d'énergie. Ils ne mettaient pas en lumière les possibilités d'intégration dans des assemblages urbains. Nous avons donc privilégié les échelles suivantes rencontrées dans un écoquartier :

* logement,

* bâtiment,

* îlot,

* quartier,

* ville.

L'approche menée met en exergue à chaque échelle, et par vecteur (soit électrique, soit chaleur) les variables suivantes :

* la technologie de production d'énergie, suivant le vecteur, y compris les EnR,

* l'acteur (pour la gestion et la maintenance) porteur de la production (ou transformation : électrique en thermique) d'énergie,

* l'usage du stockage aujourd'hui ou celui qui serait fait demain (projection dans le futur),

* la temporalité de ce stockage,

* la forme du stockage,

* les acteurs du stockage aujourd'hui ou ceux de demain (projection dans le futur),

* le couplage avec les EnR,

* le niveau de maturité du stockage.

Les tableaux concernant les échelles du bâtiment, de l'îlot et du quartier sont fournis en fin de chapitre. L'ensemble des tableaux pour les autres échelles est fourni en annexe VII.

### 7.2.3 Les technologies énergétiques du futur

Les technologies énergétiques de production au niveau de l'écoquartier ont été abordées dans le livrable 1 du projet Nexus. Les niveaux de maturité de ces technologies ont été donnés avec des perspectives de développement à l'échelle industrielle entre 5 et 10 ans. Ce dernier livrable comportait également des technologies de stockage de l'énergie, tel que les accumulateurs électriques (plus communément appelés batteries), le stockage de chaleur de façon passive par le bâtiment (l'inertie) et de façon active (ballon d'eau chaude), et le stockage des produits combustibles (comme la biomasse ou les énergies fossiles). La liste des écoquartiers utilisant certaines de ces technologies, ont été cités dans le livrable 1.

Pour compléter les analyses de technologies énergétiques faites dans le livrable 1, une fiche sur le stockage de chaleur avec couplage d'EnR dans un écoquartier a été produite, ainsi qu'une fiche sur le solaire thermique collectif (cf. annexe VIII).

Ces éléments serviront de matériau utilisé lors de la scénarisation de l'assemblage des nœuds sociaux énergétiques à 2040 dans les prochaines étapes du projet Nexus.

Pour ce qui concerne les différentes technologies de stockage, aucune fiche d'analyse n'a été établie car, hormis les systèmes de transfert d'énergie par pompage (STEP en Anglais) et les ballons d'eau chaude, les autres technologies sont soient en cours d'industrialisation, et conservent une phase de recherche et développement en vue d'apporter les améliorations nécessaires, soient au stade de l'étude en laboratoire.

### 7.2.4 Conclusions sur les technologies de stockage énergétiques du futur

Le système énergétique électrique national a recours, depuis longtemps, au stockage stationnaire de l'énergie, notamment pour gérer des périodes de forte demande au cours de la journée (stockage d'eau chaude dans des
ballons avec production durant les heures creuses, STEP<fnref n="85" />). Dans les années à venir, Le besoin de stockage massif d'énergie va être amplifié par le déploiement des énergies renouvelables, la gestion de leur intermittence (phases jour/nuit, aléas météorologiques, etc.) et pour prévenir les perturbations générées sur les réseaux de distribution par les nouveaux usages.

Aussi, le développement des véhicules électriques devrait également accroître les variations de demande et de disponibilité d'électricité au cours de la journée. Le concept du « vehicle-to-home », ou V2H, est en court de maturation: alimenter la voiture électrique avec les panneaux solaires de la maison, mais aussi la maison avec la batterie de la voiture électrique. Une expérimentation a été lancée au Canada entre Nissan et la compagnie de distribution d'électricité ontarienne Powerstream : une interface dialogue entre la batterie au lithium-ion des voitures et les bâtiments, partant du principe que 24 kWh des batteries de la voiture peuvent fournir « assez d'électricité pour toute une journée à un ménage canadien moyen » (source : Le Moniteur BTP).

Le foisonnement des technologies énoncées dans les tableaux placés dans en fin de chapitre ou en annexe du présent livrable, devrait à terme, permettre de couvrir la majeure partie des besoins identifiés d'un mix énergétique intégrant une part importante d'énergies renouvelables. Mais les coûts de la plupart de ces technologies constituent à ce jour un frein à leur développement à un stade industriel. Une part importante des recherches vise donc à réduire les coûts de ces technologies ou à rendre ces dernières plus « polyvalentes ». En effet, l'intérêt économique d'un système de stockage augmente si son utilisation répond à plusieurs besoins : par exemple intégration des ENR (lissage production intermittente) et soutien à la qualité du réseau (adaptation tension/fréquence). Les coûts d'investissement en stockage restent élevés aujourd'hui, même si ces coûts doivent diminuer dans les 20 ans à venir, grâce, notamment, au développement de nouveaux matériaux et procédés. Des modèles doivent permettre de valoriser le stockage face à la concurrence des moyens classiques de gestion des pointes, dont l'effacement et les cycles combinés à gaz, en prenant notamment en compte les investissements évités par la présence de moyens de stockage (moins de coupures, moins de perte sur les réseaux grâce à une consommation plus locale, etc.).

En France, il n'existe à ce stade pas d'incitation particulière au recours à un système de stockage. Au contraire, l'achat d'électricité en vue de son stockage est soumis au tarif d'accès au réseau (10-20 €/MWh), ce qui est assez dissuasif.

Pour se développer et être économiquement viable, le stockage d'énergie peut compter, en partie, sur la volatilité des prix de l'électricité : il s'agit de stocker l'électricité au cours des périodes de l'année où elle est la moins chère pour la redistribuer lors des pics de consommation. Le marché mondial du stockage en 2010 était compris entre 1,5 et 4,5 milliards de dollars, largement dominé par les STEP et de 400 à 600 millions de dollars pour les batteries, super-capacités et volants d'inertie.

Les projections pour 2020 sont comprises entre 16 et 35 milliards de dollars pour de nouvelles capacités installées (de 7 à 14 GW par an). L'Agence internationale de l'énergie prévoit le développement des capacités de stockage mondial qui passerait de 100 GW actuel à 200 GW en 2050 si le taux d'insertion de l'éolien était de 15%, voire 300 GW pour 30% d'éolien (60 GW pour 15% d'éolien et 100 GW pour 30% d'éolien en Europe). Le tableau suivant donne une synthèse rapide des fonctionnalités des technologies de stockage.

<footnote n="85">⁸⁵ Station ou système de transfert d'énergie par pompage</footnote>
ballons avec production durant les heures creuses, STEP<fnref n="85" />). Dans les années à venir, Le besoin de stockage massif d'énergie va être amplifié par le déploiement des énergies renouvelables, la gestion de leur intermittence (phases jour/nuit, aléas météorologiques, etc.) et pour prévenir les perturbations générées sur les réseaux de distribution par les nouveaux usages.

Aussi, le développement des véhicules électriques devrait également accroître les variations de demande et de disponibilité d'électricité au cours de la journée. Le concept du « vehicle-to-home », ou V2H, est en court de maturation: alimenter la voiture électrique avec les panneaux solaires de la maison, mais aussi la maison avec la batterie de la voiture électrique. Une expérimentation a été lancée au Canada entre Nissan et la compagnie de distribution d'électricité ontarienne Powerstream : une interface dialogue entre la batterie au lithium-ion des voitures et les bâtiments, partant du principe que 24 kWh des batteries de la voiture peuvent fournir « assez d'électricité pour toute une journée à un ménage canadien moyen » (source : Le Moniteur BTP).

Le foisonnement des technologies énoncées dans les tableaux placés dans en fin de chapitre ou en annexe du présent livrable, devrait à terme, permettre de couvrir la majeure partie des besoins identifiés d'un mix énergétique intégrant une part importante d'énergies renouvelables. Mais les coûts de la plupart de ces technologies constituent à ce jour un frein à leur développement à un stade industriel. Une part importante des recherches vise donc à réduire les coûts de ces technologies ou à rendre ces dernières plus « polyvalentes ». En effet, l'intérêt économique d'un système de stockage augmente si son utilisation répond à plusieurs besoins : par exemple intégration des ENR (lissage production intermittente) et soutien à la qualité du réseau (adaptation tension/fréquence). Les coûts d'investissement en stockage restent élevés aujourd'hui, même si ces coûts doivent diminuer dans les 20 ans à venir, grâce, notamment, au développement de nouveaux matériaux et procédés. Des modèles doivent permettre de valoriser le stockage face à la concurrence des moyens classiques de gestion des pointes, dont l'effacement et les cycles combinés à gaz, en prenant notamment en compte les investissements évités par la présence de moyens de stockage (moins de coupures, moins de perte sur les réseaux grâce à une consommation plus locale, etc.).

En France, il n'existe à ce stade pas d'incitation particulière au recours à un système de stockage. Au contraire, l'achat d'électricité en vue de son stockage est soumis au tarif d'accès au réseau (10-20 €/MWh), ce qui est assez dissuasif.

Pour se développer et être économiquement viable, le stockage d'énergie peut compter, en partie, sur la volatilité des prix de l'électricité : il s'agit de stocker l'électricité au cours des périodes de l'année où elle est la moins chère pour la redistribuer lors des pics de consommation. Le marché mondial du stockage en 2010 était compris entre 1,5 et 4,5 milliards de dollars, largement dominé par les STEP et de 400 à 600 millions de dollars pour les batteries, super-capacités et volants d'inertie.

Les projections pour 2020 sont comprises entre 16 et 35 milliards de dollars pour de nouvelles capacités installées (de 7 à 14 GW par an). L'Agence internationale de l'énergie prévoit le développement des capacités de stockage mondial qui passerait de 100 GW actuel à 200 GW en 2050 si le taux d'insertion de l'éolien était de 15%, voire 300 GW pour 30% d'éolien (60 GW pour 15% d'éolien et 100 GW pour 30% d'éolien en Europe). Le tableau suivant donne une synthèse rapide des fonctionnalités des technologies de stockage.

<footnote n="85">⁸⁵ Station ou système de transfert d'énergie par pompage</footnote>
<table><caption>Tableau 3 : Synthèse des fonctionnalités des technologies de stockage (source CEA)</caption><caption>Répartition des technologies de stockage, par fonctionnalité</caption><thead><tr><th></th><th>mécanique</th><th>électro-chimique</th><th>chimique (H2)</th><th>thermique</th><th>magnétique</th></tr></thead><tbody><tr><th scope="row">Secours</th><td></td><td>Batteries</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><th scope="row">Qualité courant</th><td>Volant inertie</td><td>Batteries Super capacs</td><td></td><td></td><td>SMES</td></tr><tr><th scope="row">Lissage des pointes de demande</th><td>STEP CAES</td><td>Redox flow Bat. Zn</td><td></td><td>Chaleur sensible Chaleur latente</td><td></td></tr><tr><th scope="row">Lissage production intermittente (éolien, PV)</th><td></td><td>Zebra Li-ion Redox flow</td><td>M2</td><td></td><td></td></tr><tr><th scope="row">Stockage local Bâtiment, Quartier</th><td></td><td>Bat. Pb. Li-ion Redox flow</td><td></td><td>Chauffe eau Thermo-chimique</td><td></td></tr></tbody></table>

Le contexte économique contraint ne favorise pas le développement rapide des systèmes de stockage massif de l'énergie. Ainsi, le prix d'achat des combustibles fossiles les rend encore attractifs pour répondre aux demandes d'énergie en période de pointe. S'il existe encore des verrous technologiques importants à lever pour rendre ces technologies plus faciles à industrialiser, les paramètres économiques nécessitent également d'être étudiés. La mise en place de systèmes de régulation, de réglementations incitatives et l'invention de nouveaux modèles de valorisation du stockage pourraient s'avérer également plus déterminants.

Un autre facteur peut prendre une part de plus en plus grande à la création de nouveaux modèles économiques, la gestion intelligente des réseaux d'énergie, électriques dans un 1er temps, et peut-être de chaleur dans un 2nd temps. Cette approche permet de prendre en compte la totalité des acteurs intervenant dans cette gestion intelligente de l'énergie : le producteur, le distributeur, le fournisseur, l'exploitant et l'usager. Une gestion plus dynamique des réseaux et de la demande est visée par le biais des smart grids. Les smart grids pourraient par exemple permettre à terme d'informer le client en temps réel du prix de l'électricité, de programmer l'arrêt/la mise en marche de certains appareils à certains moments, de gérer de façon plus optimale certains réseaux (comme en région PACA ou en Bretagne par exemple). La création de ces nouveaux marchés rapproche les énergéticiens des entreprises des technologies de l'information, avec en ligne de mire la création de services ajoutés à la livraison d'énergie.

D'une façon plus générale, il reste une grande incertitude en Europe sur la question de la "propriété" du stockage entre le producteur, le gestionnaire de réseau ou même le consommateur : une installation de stockage est-elle un moyen de production ou un équipement du réseau au même titre qu'un transformateur ? Ou encore un complément installé par le consommateur comme un générateur ? Cette incertitude constitue un frein important au développement du marché visé.

## 7.3 Briques de connaissances sur les technologies

A présent nous détaillons les briques de connaissances nécessaires aux différentes disciplines représentées dans le projet Nexus, de manière à fournir des bases de réflexion sur la scénarisation à mener pour l'assemblage des nœuds sociaux énergétiques à 2040.
<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>Tableau 3 : Synthèse des fonctionnalités des technologies de stockage (source CEA)</figcaption></figure>

Le contexte économique contraint ne favorise pas le développement rapide des systèmes de stockage massif de l'énergie. Ainsi, le prix d'achat des combustibles fossiles les rend encore attractifs pour répondre aux demandes d'énergie en période de pointe. S'il existe encore des verrous technologiques importants à lever pour rendre ces technologies plus faciles à industrialiser, les paramètres économiques nécessitent également d'être étudiés. La mise en place de systèmes de régulation, de réglementations incitatives et l'invention de nouveaux modèles de valorisation du stockage pourraient s'avérer également plus déterminants.

Un autre facteur peut prendre une part de plus en plus grande à la création de nouveaux modèles économiques, la gestion intelligente des réseaux d'énergie, électriques dans un 1er temps, et peut-être de chaleur dans un 2nd temps. Cette approche permet de prendre en compte la totalité des acteurs intervenant dans cette gestion intelligente de l'énergie : le producteur, le distributeur, le fournisseur, l'exploitant et l'usager. Une gestion plus dynamique des réseaux et de la demande est visée par le biais des smart grids. Les smart grids pourraient par exemple permettre à terme d'informer le client en temps réel du prix de l'électricité, de programmer l'arrêt/la mise en marche de certains appareils à certains moments, de gérer de façon plus optimale certains réseaux (comme en région PACA ou en Bretagne par exemple). La création de ces nouveaux marchés rapproche les énergéticiens des entreprises des technologies de l'information, avec en ligne de mire la création de services ajoutés à la livraison d'énergie.

D'une façon plus générale, il reste une grande incertitude en Europe sur la question de la "propriété" du stockage entre le producteur, le gestionnaire de réseau ou même le consommateur : une installation de stockage est-elle un moyen de production ou un équipement du réseau au même titre qu'un transformateur ? Ou encore un complément installé par le consommateur comme un générateur ? Cette incertitude constitue un frein important au développement du marché visé.

## 7.3 Briques de connaissances sur les technologies

A présent nous détaillons les briques de connaissances nécessaires aux différentes disciplines représentées dans le projet Nexus, de manière à fournir des bases de réflexion sur la scénarisation à mener pour l'assemblage des nœuds sociaux énergétiques à 2040.
Il s'agit de fournir des éléments techniques sur les technologies énergétiques, en particulier sur les technologies de stockage : quels schémas d'approvisionnement énergétique des Eco-Quartiers en 2030/2040 ?

### 7.3.1 Technologies énergétiques de production et stockage par vecteur et à l'échelle de îlot et du quartier (Réflexion sur les assemblages)

#### Différentes échelles pour les moyens de stockage ?<fnref n="86" />

Pour le vecteur électrique, les moyens de stockage devront se situer proche des moyens de production d'énergie renouvelable, de manière à limiter les pertes de distribution et permettre l'autoconsommation. A l'échelle du quartier et de la ville, les stockages de plus grandes puissances seront destinés à l'équilibre production /consommation, au maintien de l'approvisionnement, à l'indépendance du tarif de l'électricité, au report énergie heures creuses vers heures pleines, et à la participation aux services systèmes

* **Différents acteurs porteurs de la technologie de production et moyens de stockage associés**

L'acteur porteur des moyens de production et de stockage associés dépend de la localisation de ces moyens. La notion de propriété de la technologie de production amène l'acteur porteur de celle-ci. Il se pose aujourd'hui la question de l'autoconsommation, qui devrait se régler demain dans les nouveaux modèles économiques du mixte énergétique. Pour les moyens de stockage, la question de la "propriété" entre le producteur, le gestionnaire de réseau ou même le consommateur est à régler pour déterminer qui sera porteur de ceux-ci.

* **L'échelle de l'îlot pour les moyens de stockage**

Pour le ballon d'eau chaude, le stockage doit être au plus près des points de fourniture, de manière à éviter les pertes de distribution, et également limiter la puissance des moyens de production ou d'échange (coût abonnement plus économique).

Le syndic de copropriétés ou le distributeur pour l'acteur porteur de la technologie de production (ou transformation) et moyens de stockage associés ? L'acteur porteur des moyens de production (ou transformation) et de stockage associés dépend de la localisation de ces moyens. Ainsi, si ceux-ci sont à l'intérieur d'un îlot privatif, ils seront gérés et maintenus par le syndic de copropriétés. Si la production de chaleur est urbaine, chaque sous-station et échangeur primaire dans chaque immeuble sera géré et maintenu par le distributeur avec éventuellement de gros moyens de stockage comme des réservoirs ou des fosses à l'intérieur de l'îlot. Par contre, comme pour l'échelle du bâtiment, les échangeurs secondaires destinés à l'ECS et les ballons d'eau chaude associés seront gérés par le syndic de copropriétés.

* **L'échelle du bâtiment pour les moyens de stockage**

Pour le ballon d'eau chaude, le stockage doit être au plus près des points de production ou de fourniture, de manière à éviter les pertes de distribution, et éventuellement limiter la puissance des moyens de production ou d'échange (chauffage urbain par exemple).

L'usager, le syndic de copropriétés ou le distributeur pour l'acteur porteur de la technologie de production (ou transformation) et moyens de stockage associés ? L'acteur porteur des moyens de production (ou transformation) et de stockage associés dépend de la localisation de ces moyens. Ainsi, si ceux-ci sont à l'intérieur des logements, ils seront gérés et maintenus par l'usager. S'ils sont collectifs et dans l'immeuble, ils seront gérés et maintenus par le syndic de copropriétés, avec la particularité du chauffage urbain qui gère la production de chaleur et l'échangeur primaire dans l'immeuble, mais pas l'échangeur secondaire de l'ECS.

<footnote n="86">⁸⁶ Les tableaux des technologies énergétiques à l'échelle du logement, du bâtiment et de la ville sont en annexe VII</footnote>
Il s'agit de fournir des éléments techniques sur les technologies énergétiques, en particulier sur les technologies de stockage : quels schémas d'approvisionnement énergétique des Eco-Quartiers en 2030/2040 ?

### 7.3.1 Technologies énergétiques de production et stockage par vecteur et à l'échelle de îlot et du quartier (Réflexion sur les assemblages)

#### Différentes échelles pour les moyens de stockage ?<fnref n="86" />

Pour le vecteur électrique, les moyens de stockage devront se situer proche des moyens de production d'énergie renouvelable, de manière à limiter les pertes de distribution et permettre l'autoconsommation. A l'échelle du quartier et de la ville, les stockages de plus grandes puissances seront destinés à l'équilibre production /consommation, au maintien de l'approvisionnement, à l'indépendance du tarif de l'électricité, au report énergie heures creuses vers heures pleines, et à la participation aux services systèmes

* **Différents acteurs porteurs de la technologie de production et moyens de stockage associés**

L'acteur porteur des moyens de production et de stockage associés dépend de la localisation de ces moyens. La notion de propriété de la technologie de production amène l'acteur porteur de celle-ci. Il se pose aujourd'hui la question de l'autoconsommation, qui devrait se régler demain dans les nouveaux modèles économiques du mixte énergétique. Pour les moyens de stockage, la question de la "propriété" entre le producteur, le gestionnaire de réseau ou même le consommateur est à régler pour déterminer qui sera porteur de ceux-ci.

* **L'échelle de l'îlot pour les moyens de stockage**

Pour le ballon d'eau chaude, le stockage doit être au plus près des points de fourniture, de manière à éviter les pertes de distribution, et également limiter la puissance des moyens de production ou d'échange (coût abonnement plus économique).

Le syndic de copropriétés ou le distributeur pour l'acteur porteur de la technologie de production (ou transformation) et moyens de stockage associés ? L'acteur porteur des moyens de production (ou transformation) et de stockage associés dépend de la localisation de ces moyens. Ainsi, si ceux-ci sont à l'intérieur d'un îlot privatif, ils seront gérés et maintenus par le syndic de copropriétés. Si la production de chaleur est urbaine, chaque sous-station et échangeur primaire dans chaque immeuble sera géré et maintenu par le distributeur avec éventuellement de gros moyens de stockage comme des réservoirs ou des fosses à l'intérieur de l'îlot. Par contre, comme pour l'échelle du bâtiment, les échangeurs secondaires destinés à l'ECS et les ballons d'eau chaude associés seront gérés par le syndic de copropriétés.

* **L'échelle du bâtiment pour les moyens de stockage**

Pour le ballon d'eau chaude, le stockage doit être au plus près des points de production ou de fourniture, de manière à éviter les pertes de distribution, et éventuellement limiter la puissance des moyens de production ou d'échange (chauffage urbain par exemple).

L'usager, le syndic de copropriétés ou le distributeur pour l'acteur porteur de la technologie de production (ou transformation) et moyens de stockage associés ? L'acteur porteur des moyens de production (ou transformation) et de stockage associés dépend de la localisation de ces moyens. Ainsi, si ceux-ci sont à l'intérieur des logements, ils seront gérés et maintenus par l'usager. S'ils sont collectifs et dans l'immeuble, ils seront gérés et maintenus par le syndic de copropriétés, avec la particularité du chauffage urbain qui gère la production de chaleur et l'échangeur primaire dans l'immeuble, mais pas l'échangeur secondaire de l'ECS.

<footnote n="86">⁸⁶ Les tableaux des technologies énergétiques à l'échelle du logement, du bâtiment et de la ville sont en annexe VII</footnote>
## Echelle de l'îlot – Vecteur thermique

<table><thead><tr><td>Technologie production (ou transformation)</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production (ou à la transformation)</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Réseau de chaleur fonctionnant avec des énergies fossiles, mais de plus en plus avec de la biomasse, du bois, de la géothermie et des énergies fatales, avec pour certains de la cogénération (Production d'électricité avec obligation d'achat en cogénération)</td><td>Distributeur (Fournisseur historique)</td><td>Stockage possible pour le chauffage pour diminuer la puissance et de fait l'abonnement<br>Stockage tampon pour l'ECS<br>Participation à la production combinée de chauffage et d'ECS</td><td>Journalier<br>Inter-saisonnier</td><td>Ballon d'eau chaude (chaleur sensible)<br>Réservoir, fosse</td><td>Syndic de copropriétés<br>Distributeur</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, si le réseau de chaleur fonctionne avec des énergies fossiles<br>Production de chaleur par du solaire thermique</td><td>Utilisé<br>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Chaudière gaz avec réseau de distribution (s'apparente à un réseau de chaleur à échelle plus petite)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur chaudière gaz ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr><tr><td>Chaudière bois avec réseau de distribution (s'apparente à un réseau de chaleur à échelle plus petite)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur chaudière bois ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr><tr><td>PAC + Géothermie verticale (s'apparente à un réseau de chaleur à échelle plus petite)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur PAC ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr></tbody></table>
## Echelle de l'îlot – Vecteur thermique

<table><thead><tr><td>Technologie production (ou transformation)</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production (ou à la transformation)</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Réseau de chaleur fonctionnant avec des énergies fossiles, mais de plus en plus avec de la biomasse, du bois, de la géothermie et des énergies fatales, avec pour certains de la cogénération (Production d'électricité avec obligation d'achat en cogénération)</td><td>Distributeur (Fournisseur historique)</td><td>Stockage possible pour le chauffage pour diminuer la puissance et de fait l'abonnement<br>Stockage tampon pour l'ECS<br>Participation à la production combinée de chauffage et d'ECS</td><td>Journalier<br>Inter-saisonnier</td><td>Ballon d'eau chaude (chaleur sensible)<br>Réservoir, fosse</td><td>Syndic de copropriétés<br>Distributeur</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, si le réseau de chaleur fonctionne avec des énergies fossiles<br>Production de chaleur par du solaire thermique</td><td>Utilisé<br>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Chaudière gaz avec réseau de distribution (s'apparente à un réseau de chaleur à échelle plus petite)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur chaudière gaz ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr><tr><td>Chaudière bois avec réseau de distribution (s'apparente à un réseau de chaleur à échelle plus petite)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur chaudière bois ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr><tr><td>PAC + Géothermie verticale (s'apparente à un réseau de chaleur à échelle plus petite)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur PAC ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr></tbody></table>
## Echelle de l'îlot – Vecteur thermique (suite)

<table><thead><tr><td>Technologie production (ou transformation)</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production (ou à la transformation)</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Mini-cogénération (s'apparente à un réseau de chaleur avec une échelle plus petite)<br/>(Production d'électricité avec obligation d'achat)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur<br/>(Fournisseur historique)</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur micro-cogénération ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr></tbody></table>

## Echelle du bâtiment ou de l'îlot – Vecteur électrique

<table><thead><tr><td>Technologie production</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Système solaire photovoltaïque ou/et micro-éolienne</td><td>Syndic de copropriétés ou fournisseur</td><td>Aujourd'hui pas de stockage, obligation d'achat<br/>Demain pour l'autoconsommation des communs</td><td>Journalier</td><td>Système avec onduleur, batteries et gestion intelligente, Mini STEP : bassin d'eau sur toiture terrasse et en pied d'immeuble</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Par définition compte tenu de l'intermittence de la production</td><td>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Micro-cogénération</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td></tr></tbody></table>
## Echelle de l'îlot – Vecteur thermique (suite)

<table><thead><tr><td>Technologie production (ou transformation)</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production (ou à la transformation)</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Mini-cogénération (s'apparente à un réseau de chaleur avec une échelle plus petite)</td><td>Syndic de copropriétés ou distributeur</td><td>Idem réseau de chaleur pour le journalier</td><td>Journalier</td><td>Idem réseau de chaleur</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, avec appoint sur micro-cogénération ou électrique</td><td>Utilisé</td></tr><tr><td>(Production d'électricité avec obligation d'achat)</td><td>(Fournisseur historique)</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

## Echelle du bâtiment ou de l'îlot – Vecteur électrique

<table><thead><tr><td>Technologie production</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td>Système solaire photovoltaïque ou/et micro-éolienne</td><td>Syndic de copropriétés ou fournisseur</td><td>Aujourd'hui pas de stockage, obligation d'achat</td><td>Journalier</td><td>Système avec onduleur, batteries et gestion intelligente, Mini STEP : bassin d'eau sur toiture terrasse et en pied d'immeuble</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Par définition compte tenu de l'intermittence de la production</td><td>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Micro-cogénération</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td></tr></tbody></table>
## Echelle du quartier – Vecteur thermique

<table><thead><tr><td>Technologie production (ou transformation)</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production (ou à la transformation)</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Réseau de chaleur avec une centrale de production fonctionnant avec des énergies fossiles, mais de plus en plus avec de la biomasse, du bois, de la géothermie et des énergies fatales, avec pour certains de la cogénération<br/>(Production d'électricité avec obligation d'achat en cogénération)</td><td rowspan="2">Distributeur<br/>(Fournisseur historique)</td><td>Stockage possible de grande capacité, pour utiliser l'intermittence du solaire thermique, lors d'un couplage de production avec cette énergie</td><td>Inter-saisonnier</td><td>Réservoir, fosse, forage et puits dans aquifère</td><td>Distributeur</td><td>Production de chaleur par du solaire thermique</td><td>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Stockage possible pour le chauffage pour diminuer la puissance et de fait l'abonnement<br/>Stockage tampon pour l'ECS</td><td>Journalier</td><td>Ballon d'eau chaude (chaleur sensible)</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, si le réseau de chaleur fonctionne avec des énergies fossiles</td><td>Utilisé</td></tr></tbody></table>
## Echelle du quartier – Vecteur thermique

<table><thead><tr><td>Technologie production (ou transformation)</td><td>Acteurs porteurs</td><td>Usage du stockage intégré à la production (ou à la transformation)</td><td>Temporalité du stockage</td><td>Forme du stockage</td><td>Acteurs du stockage</td><td>Couplage d'EnR</td><td>Maturité stockage</td></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">Réseau de chaleur avec une centrale de production fonctionnant avec des énergies fossiles, mais de plus en plus avec de la biomasse, du bois, de la géothermie et des énergies fatales, avec pour certains de la cogénération<br/>(Production d'électricité avec obligation d'achat en cogénération)</td><td rowspan="2">Distributeur<br/>(Fournisseur historique)</td><td>Stockage possible de grande capacité, pour utiliser l'intermittence du solaire thermique, lors d'un couplage de production avec cette énergie</td><td>Inter-saisonnier</td><td>Réservoir, fosse, forage et puits dans aquifère</td><td>Distributeur</td><td>Production de chaleur par du solaire thermique</td><td>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Stockage possible pour le chauffage pour diminuer la puissance et de fait l'abonnement<br/>Stockage tampon pour l'ECS</td><td>Journalier</td><td>Ballon d'eau chaude (chaleur sensible)</td><td>Syndic de copropriétés</td><td>Le ballon de stockage d'ECS peut-être couplé à une production de solaire thermique, si le réseau de chaleur fonctionne avec des énergies fossiles</td><td>Utilisé</td></tr></tbody></table>
## Echelle du bâtiment ou de l'îlot – Vecteur électrique

<table><thead><tr><th>Technologie production</th><th>Acteurs porteurs</th><th>Usage du stockage intégré à la production</th><th>Temporalité du stockage</th><th>Forme du stockage</th><th>Acteurs du stockage</th><th>Couplage d'EnR</th><th>Maturité stockage</th></tr></thead><tbody><tr><td>Système solaire photovoltaïque ou/et micro-éolienne</td><td>Syndic de copropriétés ou fournisseur</td><td>Aujourd'hui pas de stockage, obligation d'achat<br>Demain pour l'autoconsommation des communs</td><td>Journalier</td><td>Système avec onduleur, batteries et gestion intelligente, Mini STEP : bassin d'eau sur toiture terrasse et en pied d'immeuble</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Par définition compte tenu de l'intermittence de la production</td><td>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Micro-cogénération</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td></tr></tbody></table>

## Echelle du quartier – Vecteur électrique

<table><thead><tr><th>Technologie production</th><th>Acteurs porteurs</th><th>Usage du stockage intégré à la production</th><th>Temporalité du stockage</th><th>Forme du stockage</th><th>Acteurs du stockage</th><th>Couplage d'EnR</th><th>Maturité stockage</th></tr></thead><tbody><tr><td>Centrale solaire photovoltaïque sur bâtiments</td><td>Fournisseur</td><td>Aujourd'hui pas de stockage, obligation d'achat<br>Demain pour équilibre production /consommation, maintien approvisionnement, indépendance tarif électricité, report énergie heures creuses vers heures pleines, et participation aux services systèmes</td><td>Plusieurs heures, Journalier, Hebdomadaire, Mensuel (suivant forme du stockage)</td><td>Volant d'inertie, et/ou différents types de batteries, et/ou stockage par air comprimé, et/ou stockage sous forme d'hydrogène</td><td>Fournisseur</td><td>Par définition compte tenu de l'intermittence de la production</td><td>Utilisé ou en développ<sup>nt</sup> suivant la forme du stockage</td></tr><tr><td>Eolienne</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td></tr><tr><td>Cogénération</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td></tr></tbody></table>
## Echelle du bâtiment ou de l'îlot – Vecteur électrique

<table><thead><tr><th>Technologie production</th><th>Acteurs porteurs</th><th>Usage du stockage intégré à la production</th><th>Temporalité du stockage</th><th>Forme du stockage</th><th>Acteurs du stockage</th><th>Couplage d'EnR</th><th>Maturité stockage</th></tr></thead><tbody><tr><td>Système solaire photovoltaïque ou/et micro-éolienne</td><td>Syndic de copropriétés ou fournisseur</td><td>Aujourd'hui pas de stockage, obligation d'achat<br>Demain pour l'autoconsommation des communs</td><td>Journalier</td><td>Système avec onduleur, batteries et gestion intelligente, Mini STEP : bassin d'eau sur toiture terrasse et en pied d'immeuble</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Par définition compte tenu de l'intermittence de la production</td><td>En développ<sup>nt</sup></td></tr><tr><td>Micro-cogénération</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Syndic copro. ou fournisseur</td><td>Idem système solaire PV</td><td>Idem système solaire PV</td></tr></tbody></table>

## Echelle du quartier – Vecteur électrique

<table><thead><tr><th>Technologie production</th><th>Acteurs porteurs</th><th>Usage du stockage intégré à la production</th><th>Temporalité du stockage</th><th>Forme du stockage</th><th>Acteurs du stockage</th><th>Couplage d'EnR</th><th>Maturité stockage</th></tr></thead><tbody><tr><td>Centrale solaire photovoltaïque sur bâtiments</td><td>Fournisseur</td><td>Aujourd'hui pas de stockage, obligation d'achat<br>Demain pour équilibre production /consommation, maintien approvisionnement, indépendance tarif électricité, report énergie heures creuses vers heures pleines, et participation aux services systèmes</td><td>Plusieurs heures, Journalier, Hebdomadaire, Mensuel (suivant forme du stockage)</td><td>Volant d'inertie, et/ou différents types de batteries, et/ou stockage par air comprimé, et/ou stockage sous forme d'hydrogène</td><td>Fournisseur</td><td>Par définition compte tenu de l'intermittence de la production</td><td>Utilisé ou en développ<sup>nt</sup> suivant la forme du stockage</td></tr><tr><td>Eolienne</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td></tr><tr><td>Cogénération</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Fournisseur</td><td>Idem centrale solaire PV</td><td>Idem centrale solaire PV</td></tr></tbody></table>
# 8 Chapitre 8 – Trois schémas de production de chaleur ? Réflexion sur les variables pour des scénarios prospectifs

Philippe Menanteau

## 8.1 Introduction

La ville devient un enjeu important dans la réflexion sur l'évolution des systèmes d'approvisionnement énergétique. La première raison est qu'une partie croissante et aujourd'hui très majoritaire de la population est urbaine et que les villes représentent donc une très forte proportion de la consommation d'énergie. La seconde est que les autorités locales sont considérées comme des acteurs essentiels pour la mise en œuvre des politiques de la transition énergétique. Que ce soit pour mettre en place les programmes de réhabilitation thermique des logements, organiser l'offre de déplacement en coordination avec le développement urbain, aider à valoriser les ressources énergétiques locales, la gouvernance locale est indispensable.

A ce titre, les projets de développement d'écoquartiers qui visent à créer des espaces urbains dans lesquels l'utilisation des ressources, énergétiques surtout, mais également des matières premières, est maitrisée dans le but de limiter l'empreinte environnementale, constituent des expériences qui pourraient préfigurer les modes d'approvisionnement énergétique des futurs espaces urbains.

Dans une précédente analyse des schémas d'approvisionnement énergétique des écoquartiers en Europe (cf le premier rapport intermédiaire), nous avions identifié des configurations dans lesquelles des éléments tels que l'innovation, la standardisation, l'accent mis sur la maîtrise des consommations, le recours aux énergies locales ou renouvelables et le mode de production / distribution de l'énergie (électricité et/ou chaleur) introduisaient des différences structurantes entre les réalisations. Nous nous intéresserons ici en particulier à ce dernier critère de l'approvisionnement énergétique (centralisation versus décentralisation). L'objectif est, au travers d'une réflexion sur ce que pourraient être les futurs schémas d'approvisionnement énergétique de quartiers performants sur le plan des consommations énergétiques des bâtiments et exploitant largement les ressources énergétiques locales, de s'interroger sur ce que pourraient être les variables clés pour la construction des scénarios d'évolution des écoquartiers à l'horizon 2030.

Ce papier est donc structuré en trois temps. Dans une première partie, nous précisons le champ de notre analyse (le quartier ou l'ilôt considérés comme élément pertinent d'aménagement urbain entre le bâtiment et la ville dans son ensemble) et tentons de montrer en quoi le regroupement de plusieurs bâtiments présente, sur le plan énergétique, un intérêt particulier par rapport au bâtiment considéré isolément. Dans un deuxième temps nous proposons trois schémas d'approvisionnement énergétique de futurs écoquartiers en nous appuyant sur la typologie esquissée dans l'analyse comparative évoquée ci-dessus. La description de ces trois schémas d'approvisionnement énergétique nous permet dans une troisième partie d'identifier certaines variables clés pour la construction des scénarios de prospective.

## 8.2 Le contexte

Avant d'aborder la question de l'approvisionnement énergétique des futurs écoquartiers, il est important de rappeler quelques éléments de contexte structurant l'évolution du système énergétique, en particulier urbain.

Au plan national et international (européen), l'objectif de réduction des émissions de GES par un facteur 4 à l'horizon 2050 a été réaffirmé. La réglementation thermique 2012 prévue à l'issue des débats du Grenelle de l'environnement s'applique aux bâtiments neufs résidentiel et tertiaire et impose des performances énergétiques élevées qui devront encore progresser en 2020 avec la généralisation des bâtiments à énergie positive. La future loi sur la transition énergétique en cours d'élaboration devrait sur ce point compléter les exigences imposées aux bâtiments neufs avec un programme ambitieux de réhabilitation thermique des logements et bâtiments tertiaires existants.

Au-delà de 2020, les bâtiments neufs devraient donc produire autant d'énergie qu'ils en consomment (pour les usages identifiés par la réglementation, chauffage, eau chaude sanitaire, ventilation,
# 8 Chapitre 8 – Trois schémas de production de chaleur ? Réflexion sur les variables pour des scénarios prospectifs

Philippe Menanteau

## 8.1 Introduction

La ville devient un enjeu important dans la réflexion sur l'évolution des systèmes d'approvisionnement énergétique. La première raison est qu'une partie croissante et aujourd'hui très majoritaire de la population est urbaine et que les villes représentent donc une très forte proportion de la consommation d'énergie. La seconde est que les autorités locales sont considérées comme des acteurs essentiels pour la mise en œuvre des politiques de la transition énergétique. Que ce soit pour mettre en place les programmes de réhabilitation thermique des logements, organiser l'offre de déplacement en coordination avec le développement urbain, aider à valoriser les ressources énergétiques locales, la gouvernance locale est indispensable.

A ce titre, les projets de développement d'écoquartiers qui visent à créer des espaces urbains dans lesquels l'utilisation des ressources, énergétiques surtout, mais également des matières premières, est maitrisée dans le but de limiter l'empreinte environnementale, constituent des expériences qui pourraient préfigurer les modes d'approvisionnement énergétique des futurs espaces urbains.

Dans une précédente analyse des schémas d'approvisionnement énergétique des écoquartiers en Europe (cf le premier rapport intermédiaire), nous avions identifié des configurations dans lesquelles des éléments tels que l'innovation, la standardisation, l'accent mis sur la maîtrise des consommations, le recours aux énergies locales ou renouvelables et le mode de production / distribution de l'énergie (électricité et/ou chaleur) introduisaient des différences structurantes entre les réalisations. Nous nous intéresserons ici en particulier à ce dernier critère de l'approvisionnement énergétique (centralisation versus décentralisation). L'objectif est, au travers d'une réflexion sur ce que pourraient être les futurs schémas d'approvisionnement énergétique de quartiers performants sur le plan des consommations énergétiques des bâtiments et exploitant largement les ressources énergétiques locales, de s'interroger sur ce que pourraient être les variables clés pour la construction des scénarios d'évolution des écoquartiers à l'horizon 2030.

Ce papier est donc structuré en trois temps. Dans une première partie, nous précisons le champ de notre analyse (le quartier ou l'ilôt considérés comme élément pertinent d'aménagement urbain entre le bâtiment et la ville dans son ensemble) et tentons de montrer en quoi le regroupement de plusieurs bâtiments présente, sur le plan énergétique, un intérêt particulier par rapport au bâtiment considéré isolément. Dans un deuxième temps nous proposons trois schémas d'approvisionnement énergétique de futurs écoquartiers en nous appuyant sur la typologie esquissée dans l'analyse comparative évoquée ci-dessus. La description de ces trois schémas d'approvisionnement énergétique nous permet dans une troisième partie d'identifier certaines variables clés pour la construction des scénarios de prospective.

## 8.2 Le contexte

Avant d'aborder la question de l'approvisionnement énergétique des futurs écoquartiers, il est important de rappeler quelques éléments de contexte structurant l'évolution du système énergétique, en particulier urbain.

Au plan national et international (européen), l'objectif de réduction des émissions de GES par un facteur 4 à l'horizon 2050 a été réaffirmé. La réglementation thermique 2012 prévue à l'issue des débats du Grenelle de l'environnement s'applique aux bâtiments neufs résidentiel et tertiaire et impose des performances énergétiques élevées qui devront encore progresser en 2020 avec la généralisation des bâtiments à énergie positive. La future loi sur la transition énergétique en cours d'élaboration devrait sur ce point compléter les exigences imposées aux bâtiments neufs avec un programme ambitieux de réhabilitation thermique des logements et bâtiments tertiaires existants.

Au-delà de 2020, les bâtiments neufs devraient donc produire autant d'énergie qu'ils en consomment (pour les usages identifiés par la réglementation, chauffage, eau chaude sanitaire, ventilation,
refroidissement et éclairage) et les bâtiments réhabilités réduire sensiblement leur consommation sur ces mêmes postes. Par ailleurs, les bâtiments neufs et réhabilités utiliseront de façon croissante des ressources locales renouvelables (solaire en particulier).

Dans ce contexte, nous nous intéressons ici à la question de l'approvisionnement énergétique d'un espace urbain spécifique, le quartier ou l'îlot. Nous utiliserons dans la suite du texte le terme de quartier classiquement utilisé dans la littérature qui englobe aussi la notion d'îlot désignant un groupe de bâtiments isolé des bâtiments voisins par la voirie. La question de l'approvisionnement énergétique d'un bâtiment est donc considérée ici en relation avec les bâtiments qui l'entourent en intégrant les effets d'agglomération décrits ci-après. L'échelle du quartier apparaît ainsi comme l'échelle appropriée de la rénovation progressive des espaces urbains, avec une dimension de système que ne présentent pas les bâtiments pris isolément mais sans la complexité et l'inertie que représente la ville considérée dans son ensemble<sup>87</sup>.

Les écoquartiers constituent des expérimentations plus ou moins innovantes qui permettent de tester différentes configurations dont les plus pertinentes pourraient préfigurer la ville de demain. Dans cette réflexion sur les schémas d'approvisionnement des écoquartiers, nous considérons qu'ils ne sont pas constitués uniquement de bâtiments autonomes sur le plan énergétique mais qu'ils nécessitent un approvisionnement énergétique extérieur (extérieur au bâtiment ou extérieur à l'écoquartier). L'écoquartier peut présenter une certaine autonomie énergétique (production locale associée à des dispositifs de stockage approprié) mais les bâtiments sont considérés interagissant les uns avec les autres. Ainsi et c'est une hypothèse forte, le futur écoquartier n'est pas constitué d'un ensemble de bâtiments disposant de leur propre approvisionnement énergétique et isolés les uns des autres.

## 8.3 Pourquoi poser la question de l'approvisionnement énergétique à l'échelle du quartier ? Les effets d'agglomération

L'échelle du quartier est pertinente pour appréhender la question d'un urbanisme durable minimisant l'utilisation des ressources parce qu'elle permet d'optimiser les apports d'énergie locale, d'intégrer habitat et mobilité, d'aborder la question déchets et de leur traitement, des ressources en eau et de sa récupération, etc... En quoi est-elle également pertinente pour aborder la question énergétique ?

On peut identifier au moins quatre types d'effets liés au regroupement des bâtiments :

- Interactions entre bâtiments (orientation, optimisation espaces)

- Foisonnement de la demande (mixité d'occupation, d'usages)

- Mobilisation des ressources diffuses (renouvelables, chaleur fatale, déchets, ...)

- Nouvelles options techniques (réseau, centralisation / effet d'échelle)

La première raison est que le quartier (ou l'ilot donc) permet de prendre en compte les interactions bioclimatiques entre les bâtiments tels que les effets de masque (ombres portées), l'accumulation de chaleur (ilots de chaleur), etc, dont l'approche à l'échelle du bâtiment ne tient pas compte, et ainsi d'optimiser la localisation des bâtiments sur l'espace disponible (orientation par rapport au soleil ou aux vents dominants, végétalisation des espaces, etc.).

L'échelle du quartier permet également de bénéficier de l'agrégation de courbes de charge distinctes entre des logements résidentiels, du fait de profils différenciés selon les ménages et donc de modes d'occupation et de préférences différents, ou entre logements et bâtiments tertiaires dont les profils de consommation sont nettement contrastés.

La Figure 33 montre l'intérêt du foisonnement des consommations de chauffage du point de vue du taux d'utilisation des équipements. En haut, des installations individuelles dimensionnées pour satisfaire la demande de chaleur de pointe présentent des taux d'utilisation réduits et donc des rendements faibles.

<footnote n="87"><sup>87</sup> Pour autant nous ne nous interdisons pas d'examiner des dispositifs de chauffage ou de production d'électricité à l'échelle d'un bâtiment, mais avec une attention particulière aux interactions possibles entre les bâtiments. De même nous n'excluons pas les systèmes de production de chaleur ou d'électricité établis à l'échelle d'une ville ou d'un quartier voisin s'ils présentent des marges d'évolution pour intégrer de nouveaux quartiers.</footnote>
refroidissement et éclairage) et les bâtiments réhabilités réduire sensiblement leur consommation sur ces mêmes postes. Par ailleurs, les bâtiments neufs et réhabilités utiliseront de façon croissante des ressources locales renouvelables (solaire en particulier).

Dans ce contexte, nous nous intéressons ici à la question de l'approvisionnement énergétique d'un espace urbain spécifique, le quartier ou l'îlot. Nous utiliserons dans la suite du texte le terme de quartier classiquement utilisé dans la littérature qui englobe aussi la notion d'îlot désignant un groupe de bâtiments isolé des bâtiments voisins par la voirie. La question de l'approvisionnement énergétique d'un bâtiment est donc considérée ici en relation avec les bâtiments qui l'entourent en intégrant les effets d'agglomération décrits ci-après. L'échelle du quartier apparaît ainsi comme l'échelle appropriée de la rénovation progressive des espaces urbains, avec une dimension de système que ne présentent pas les bâtiments pris isolément mais sans la complexité et l'inertie que représente la ville considérée dans son ensemble<sup>87</sup>.

Les écoquartiers constituent des expérimentations plus ou moins innovantes qui permettent de tester différentes configurations dont les plus pertinentes pourraient préfigurer la ville de demain. Dans cette réflexion sur les schémas d'approvisionnement des écoquartiers, nous considérons qu'ils ne sont pas constitués uniquement de bâtiments autonomes sur le plan énergétique mais qu'ils nécessitent un approvisionnement énergétique extérieur (extérieur au bâtiment ou extérieur à l'écoquartier). L'écoquartier peut présenter une certaine autonomie énergétique (production locale associée à des dispositifs de stockage approprié) mais les bâtiments sont considérés interagissant les uns avec les autres. Ainsi et c'est une hypothèse forte, le futur écoquartier n'est pas constitué d'un ensemble de bâtiments disposant de leur propre approvisionnement énergétique et isolés les uns des autres.

## 8.3 Pourquoi poser la question de l'approvisionnement énergétique à l'échelle du quartier ? Les effets d'agglomération

L'échelle du quartier est pertinente pour appréhender la question d'un urbanisme durable minimisant l'utilisation des ressources parce qu'elle permet d'optimiser les apports d'énergie locale, d'intégrer habitat et mobilité, d'aborder la question déchets et de leur traitement, des ressources en eau et de sa récupération, etc... En quoi est-elle également pertinente pour aborder la question énergétique ?

On peut identifier au moins quatre types d'effets liés au regroupement des bâtiments :

- Interactions entre bâtiments (orientation, optimisation espaces)

- Foisonnement de la demande (mixité d'occupation, d'usages)

- Mobilisation des ressources diffuses (renouvelables, chaleur fatale, déchets, ...)

- Nouvelles options techniques (réseau, centralisation / effet d'échelle)

La première raison est que le quartier (ou l'ilot donc) permet de prendre en compte les interactions bioclimatiques entre les bâtiments tels que les effets de masque (ombres portées), l'accumulation de chaleur (ilots de chaleur), etc, dont l'approche à l'échelle du bâtiment ne tient pas compte, et ainsi d'optimiser la localisation des bâtiments sur l'espace disponible (orientation par rapport au soleil ou aux vents dominants, végétalisation des espaces, etc.).

L'échelle du quartier permet également de bénéficier de l'agrégation de courbes de charge distinctes entre des logements résidentiels, du fait de profils différenciés selon les ménages et donc de modes d'occupation et de préférences différents, ou entre logements et bâtiments tertiaires dont les profils de consommation sont nettement contrastés.

La Figure 33 montre l'intérêt du foisonnement des consommations de chauffage du point de vue du taux d'utilisation des équipements. En haut, des installations individuelles dimensionnées pour satisfaire la demande de chaleur de pointe présentent des taux d'utilisation réduits et donc des rendements faibles.

<footnote n="87"><sup>87</sup> Pour autant nous ne nous interdisons pas d'examiner des dispositifs de chauffage ou de production d'électricité à l'échelle d'un bâtiment, mais avec une attention particulière aux interactions possibles entre les bâtiments. De même nous n'excluons pas les systèmes de production de chaleur ou d'électricité établis à l'échelle d'une ville ou d'un quartier voisin s'ils présentent des marges d'évolution pour intégrer de nouveaux quartiers.</footnote>
En bas, une installation collective présenterait un taux d'utilisation beaucoup plus élevé si les deux profils de demande peuvent être associés (tertiaire en vert et résidentiel en jaune). Sans entrainer des gains aussi importants, le foisonnement entre bâtiments résidentiels permet également des gains sur la chaleur et sur les consommations d'électricité (moins importants car les profils d'occupation restent assez proches sans être identiques toutefois). Plus le périmètre considéré est large, plus l'effet du foisonnement est important ; il est donc relativement faible à l'échelle d'un bâtiment, et plus important pour un quartier qui présente une plus grande mixité d'usages.

L'effet du foisonnement illustré ici pour la production de chaleur s'applique également au stockage d'énergie et de façon générale à tout dispositif qui présente des taux d'utilisation variable selon la période ou le profil des utilisateurs.

## Importance du foisonnement des consommations (chauffage)

<figure><img src="image_32.png" /><figcaption>Figure 33 - Foisonnement des consommations</figcaption></figure>

L'échelle du quartier permet également de mobiliser des ressources diffuses qui ne sont pas disponibles ou dans des quantités moindres à l'échelle du bâtiment. La méthanisation des déchets par exemple, ou la récupération de chaleur sur les eaux usées sont inadaptées ou difficiles à mettre en œuvre à l'échelle du bâtiment mais peuvent être envisagées à l'échelle d'un quartier. De même, l'utilisation de la chaleur fatale (data center ou centrale de climatisation) peut s'envisager à l'échelle d'un bâtiment mais ces investissements seront plus rapidement amortis à l'échelle du quartier. Enfin, l'exploitation de la ressource solaire est pertinente aussi à l'échelle du seul bâtiment mais se posent alors les problèmes d'ombre portée évoqués plus haut. Une approche plus globale permet de tenir compte de ces effets dans la conception des bâtiments ou d'optimiser l'espace disponible pour mieux exploiter la ressource. Des bâtiments peu consommateurs mais disposant de grandes surfaces ensoleillées peuvent ainsi produire de l'électricité en excédent pour des bâtiments voisins peu dotés en ressources. Comme pour le foisonnement des consommations, plus le périmètre considéré est étendu, plus il sera possible d'intégrer de nouvelles ressources.

Quatrième effet positif associé à l'élargissement de l'échelle, la mise en œuvre d'options techniques spécifiques qu'autorise l'effet de taille. La possibilité de regrouper les demandes d'énergie émanant d'un grand nombre de bâtiment permet d'envisager des dispositifs de distribution de chaleur (ou de froid) en réseau. Certes le réseau peut se limiter à un immeuble (simple dispositif de chauffage en pied
En bas, une installation collective présenterait un taux d'utilisation beaucoup plus élevé si les deux profils de demande peuvent être associés (tertiaire en vert et résidentiel en jaune). Sans entrainer des gains aussi importants, le foisonnement entre bâtiments résidentiels permet également des gains sur la chaleur et sur les consommations d'électricité (moins importants car les profils d'occupation restent assez proches sans être identiques toutefois). Plus le périmètre considéré est large, plus l'effet du foisonnement est important ; il est donc relativement faible à l'échelle d'un bâtiment, et plus important pour un quartier qui présente une plus grande mixité d'usages.

L'effet du foisonnement illustré ici pour la production de chaleur s'applique également au stockage d'énergie et de façon générale à tout dispositif qui présente des taux d'utilisation variable selon la période ou le profil des utilisateurs.

## Importance du foisonnement des consommations (chauffage)

<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>Figure 33 - Foisonnement des consommations</figcaption></figure>

L'échelle du quartier permet également de mobiliser des ressources diffuses qui ne sont pas disponibles ou dans des quantités moindres à l'échelle du bâtiment. La méthanisation des déchets par exemple, ou la récupération de chaleur sur les eaux usées sont inadaptées ou difficiles à mettre en œuvre à l'échelle du bâtiment mais peuvent être envisagées à l'échelle d'un quartier. De même, l'utilisation de la chaleur fatale (data center ou centrale de climatisation) peut s'envisager à l'échelle d'un bâtiment mais ces investissements seront plus rapidement amortis à l'échelle du quartier. Enfin, l'exploitation de la ressource solaire est pertinente aussi à l'échelle du seul bâtiment mais se posent alors les problèmes d'ombre portée évoqués plus haut. Une approche plus globale permet de tenir compte de ces effets dans la conception des bâtiments ou d'optimiser l'espace disponible pour mieux exploiter la ressource. Des bâtiments peu consommateurs mais disposant de grandes surfaces ensoleillées peuvent ainsi produire de l'électricité en excédent pour des bâtiments voisins peu dotés en ressources. Comme pour le foisonnement des consommations, plus le périmètre considéré est étendu, plus il sera possible d'intégrer de nouvelles ressources.

Quatrième effet positif associé à l'élargissement de l'échelle, la mise en œuvre d'options techniques spécifiques qu'autorise l'effet de taille. La possibilité de regrouper les demandes d'énergie émanant d'un grand nombre de bâtiment permet d'envisager des dispositifs de distribution de chaleur (ou de froid) en réseau. Certes le réseau peut se limiter à un immeuble (simple dispositif de chauffage en pied
d'immeuble) mais dans le cas d'un groupe de bâtiment, d'un ilot, voire de plusieurs quartiers (chauffage urbain), la centralisation de la production de chaleur autorise des effets d'échelle. Il en résulte une baisse des coûts unitaires de la puissance installée, des coûts d'approvisionnement en ressources, de maintenance, etc ... et donc des coûts de l'énergie distribuée. La gestion de l'approvisionnement et du stockage est également simplifiée, notamment pour des dispositifs qui nécessitent des stockages importants (chaudière ou centrale biomasse). La pollution enfin est plus facile à gérer sur des installations de grande taille que sur un grand nombre d'installations diffuses de petite taille (cf biomasse à nouveau).

On vient de le voir, l'agglomération des demandes apporte un certain nombre d'effets qui peuvent être intéressants du point de vue de l'approvisionnement énergétique. Envisager l'approvisionnement énergétique à l'échelle d'un quartier introduit toutefois certaines contraintes. A l'évidence, une approche considérant le seul bâtiment est plus facile et moins contraignante à mettre en œuvre qu'une option dans laquelle il faut tenir compte des interactions entre les bâtiments et/ou réaliser une infrastructure pour produire et distribuer l'énergie sur l'ensemble d'un quartier. L'avantage de la simplicité ne concerne pas uniquement la dimension technique mais également le processus de décision, la mobilisation des financements, la durée de réalisation, etc. Le passage de l'échelle du bâtiment à celle du quartier implique de nouvelles coordinations et peut être de nouveaux acteurs. Or à la différence de la ville (municipalité) ou du bâtiment, le quartier ne dispose pas de système de gouvernance établi, ce qui rend plus complexe le processus de décision.

## Du bâtiment au quartier : quelles conséquences sur les systèmes énergétiques ?

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

<table><thead><tr><th></th><th>BATIMENT</th><th>QUARTIER/VILLE</th></tr></thead><tbody><tr><td>Comportements</td><td>Faible différentiation des usages<br/>→ profils de consommation identiques</td><td>Mixité d'usages (R&T)<br/>→ Foisonnement</td></tr><tr><td>Ressources</td><td>Ressources limitées à l'échelle du bâtiment (PV toiture, géothermie, ... ?)</td><td>Plus grande diversité des ressources (PV, géothermie, biomasse, déchets, eaux usées, chaleur industrielle, etc...)</td></tr><tr><td>Urbanisme</td><td>Subit influence bâtiments voisins (ombres, ilôts chaleur, etc) mais pas de vision intégrée</td><td>Possibilité optimisation (cadastre solaire, végétation - niveau de rénovation thermique - surf pour BEPOS, etc)</td></tr><tr><td>Effets de taille</td><td>Production décentralisée : faisabilité techn mais pas optimum économique (ex moteur gaz cogen ou chaufferie biomasse)</td><td>Production centralisée : économies d'échelle - logistique appro - systèmes dépollution</td></tr><tr><td>Mise en réseau</td><td>Chauff coll vs individuel (gains d'efficacité - autonomie décision par rapport à réseau chaleur, ...)</td><td>Gain lié à différentiation des usages, mobilisation de ressources diffuses (énergie fatale) et/ou centralisées (UIOM), stockage grande taille, ...</td></tr></tbody></table>

Journée scientifique NEXUS - 04/07/2013

<caption>Figure 34 - Bâtiment versus quartier ; les effets d'agglomération</caption>

## 8.4 Trois schémas contrastés d'approvisionnement énergétique pour les futurs écoquartiers

Nous avons identifié trois schémas possibles pour l'approvisionnement énergétique des écoquartiers qui s'inspirent des dispositifs existants. L'objectif n'est pas de décrire de façon détaillée le mode de fonctionnement de chacun de ces dispositifs mais de caractériser des modèles contrastés qui pourraient être mis en œuvre pour alimenter de futurs écoquartiers.
d'immeuble) mais dans le cas d'un groupe de bâtiment, d'un ilot, voire de plusieurs quartiers (chauffage urbain), la centralisation de la production de chaleur autorise des effets d'échelle. Il en résulte une baisse des coûts unitaires de la puissance installée, des coûts d'approvisionnement en ressources, de maintenance, etc ... et donc des coûts de l'énergie distribuée. La gestion de l'approvisionnement et du stockage est également simplifiée, notamment pour des dispositifs qui nécessitent des stockages importants (chaudière ou centrale biomasse). La pollution enfin est plus facile à gérer sur des installations de grande taille que sur un grand nombre d'installations diffuses de petite taille (cf biomasse à nouveau).

On vient de le voir, l'agglomération des demandes apporte un certain nombre d'effets qui peuvent être intéressants du point de vue de l'approvisionnement énergétique. Envisager l'approvisionnement énergétique à l'échelle d'un quartier introduit toutefois certaines contraintes. A l'évidence, une approche considérant le seul bâtiment est plus facile et moins contraignante à mettre en œuvre qu'une option dans laquelle il faut tenir compte des interactions entre les bâtiments et/ou réaliser une infrastructure pour produire et distribuer l'énergie sur l'ensemble d'un quartier. L'avantage de la simplicité ne concerne pas uniquement la dimension technique mais également le processus de décision, la mobilisation des financements, la durée de réalisation, etc. Le passage de l'échelle du bâtiment à celle du quartier implique de nouvelles coordinations et peut être de nouveaux acteurs. Or à la différence de la ville (municipalité) ou du bâtiment, le quartier ne dispose pas de système de gouvernance établi, ce qui rend plus complexe le processus de décision.

## Du bâtiment au quartier : quelles conséquences sur les systèmes énergétiques ?

<table><thead><tr><th></th><th>BATIMENT</th><th>QUARTIER/VILLE</th></tr></thead><tbody><tr><td>Comportements</td><td>Faible différentiation des usages<br/>→ profils de consommation identiques</td><td>Mixité d'usages (R&T)<br/>→ Foisonnement</td></tr><tr><td>Ressources</td><td>Ressources limitées à l'échelle du bâtiment (PV toiture, géothermie, ... ?)</td><td>Plus grande diversité des ressources (PV, géothermie, biomasse, déchets, eaux usées, chaleur industrielle, etc...)</td></tr><tr><td>Urbanisme</td><td>Subit influence bâtiments voisins (ombres, ilôts chaleur, etc) mais pas de vision intégrée</td><td>Possibilité optimisation (cadastre solaire, végétation - niveau de rénovation thermique - surf pour BEPOS, etc)</td></tr><tr><td>Effets de taille</td><td>Production décentralisée : faisabilité techn mais pas optimum économique (ex moteur gaz cogen ou chaufferie biomasse)</td><td>Production centralisée : économies d'échelle - logistique appro - systèmes dépollution</td></tr><tr><td>Mise en réseau</td><td>Chauff coll vs individuel (gains d'efficacité - autonomie décision par rapport à réseau chaleur, ...)</td><td>Gain lié à différentiation des usages, mobilisation de ressources diffuses (énergie fatale) et/ou centralisées (UIOM), stockage grande taille, ...</td></tr></tbody></table>

Journée scientifique NEXUS - 04/07/2013

<caption>Figure 34 - Bâtiment versus quartier ; les effets d'agglomération</caption>

## 8.4 Trois schémas contrastés d'approvisionnement énergétique pour les futurs écoquartiers

Nous avons identifié trois schémas possibles pour l'approvisionnement énergétique des écoquartiers qui s'inspirent des dispositifs existants. L'objectif n'est pas de décrire de façon détaillée le mode de fonctionnement de chacun de ces dispositifs mais de caractériser des modèles contrastés qui pourraient être mis en œuvre pour alimenter de futurs écoquartiers.
Les dispositifs proposés ne cherchent pas à atteindre l'autonomie complète sur le plan énergétique, ce qui peut sembler atteignable d'un point de vue technologique pour des quartiers neufs mais ne constitue probablement pas une option généralisable à l'horizon 2040 pour des raisons économiques (notamment pour les quartiers existants). Les options proposées sont cependant compatibles avec des bâtiments de plus en plus performants sur le plan énergétique et visent à une utilisation croissante des ressources locales. Elles comportent également des dispositifs de stockage d'énergie à l'échelle du bâtiment ou du quartier pour permettre une meilleure utilisation des ressources réparties intermittentes mais n'excluent pas le raccordement au réseau électrique national qui assure une fonction plus large d'équilibre instantané entre l'offre et la demande.

Pour résumer les hypothèses implicites communes aux trois schémas d'approvisionnement énergétique décrits ci-après :

- Les bâtiments neufs sont à énergie positive, mais les quartiers intègrent aussi une proportion importante de bâtiments anciens réhabilités qui ne sont pas à énergie positive (sauf exception)

- La demande de chaleur est fortement réduite mais non nulle pour autant en raison de la persistance de la demande d'eau chaude sanitaire

- L'utilisation des ressources locales d'énergie (énergies renouvelables, déchets, énergies fatales) est recherchée mais les énergies fossiles ne sont pas exclues pour autant

- Pour favoriser l'utilisation des ressources locales, des aides publiques pourront être mises en place (incitation à l'autoconsommation pour l'électricité<fnref n="88" />, aide à l'installation de stockages pour la chaleur, ...).

Les schémas d'approvisionnement identifiés s'inspirent des options techniques utilisées par les écoquartiers en Europe en distinguant trois grands types selon le caractère plus ou moins centralisé / réparti de la production d'énergie :

- Le modèle "systèmes individualisés" s'inspire des dispositifs de chauffage existant de type individuel (par appartement) ou collectif (par immeuble)

- Le modèle "réseau centralisé" reprend le schéma de production centralisée et chaleur et ou d'électricité et la distribution en réseau (modèle réseau de chaleur / froid)

- Le modèle "réseau décentralisé" est également un schéma de distribution chaleur / froid en réseau mais basé sur des dispositifs de production répartie

### 8.4.1 Le modèle "systèmes individualisés" (par bâtiments)

Ce modèle qui correspond à une simple évolution technique des dispositifs d'approvisionnement classiquement utilisés dans les villes aujourd'hui s'appuie sur des systèmes individualisé car les bâtiments (éventuellement un groupe de bâtiments) sont approvisionnés indépendamment les uns des autres par un dispositif de production de chaleur qui leur est propre. Les sources d'énergie utilisées sont des sources locales réparties (solaire, biomasse, géothermie) ou des sources fournies par les réseaux de distribution d'énergie (électricité, gaz).

S'agissant de bâtiments consommant peu d'énergie de chauffage, les besoins de chaleur sont réduits (aux seuls besoins d'eau chaude sanitaire pour les bâtiments neufs). Différents dispositifs de production de chaleur à haut rendement peuvent satisfaire ces besoins (chaudière bois, chaudière gaz à condensation, pompes à chaleur) ou des systèmes combinant apports solaires avec stockage de chaleur et moyens de pointe ou de secours. L'augmentation du poids relatif des besoins d'ECS induit un lissage de la courbe de charge annuelle ce qui permet d'améliorer le facteur de charge et donc de mieux rentabiliser les systèmes plus intensifs en capital (système solaire plus stockage ou PAC plus géothermie). Selon la disponibilité des ressources locales (apports solaires, géothermie) une production complémentaire de chaleur pourra être nécessaire (chaudière gaz par exemple) ou un stockage assurant le déphasage de la

<footnote n="88">⁸⁸ Nous faisons ainsi l'hypothèse que le dispositif actuel de prix garantis qui privilégie l'injection de la production sur le réseau électrique n'existe plus dans sa forme actuelle. Les nouveaux dispositifs favorisent l'autoconsommation ou l'injection sur le réseau aux prix de marché (avec un dispositif de premium éventuel).</footnote>
Les dispositifs proposés ne cherchent pas à atteindre l'autonomie complète sur le plan énergétique, ce qui peut sembler atteignable d'un point de vue technologique pour des quartiers neufs mais ne constitue probablement pas une option généralisable à l'horizon 2040 pour des raisons économiques (notamment pour les quartiers existants). Les options proposées sont cependant compatibles avec des bâtiments de plus en plus performants sur le plan énergétique et visent à une utilisation croissante des ressources locales. Elles comportent également des dispositifs de stockage d'énergie à l'échelle du bâtiment ou du quartier pour permettre une meilleure utilisation des ressources réparties intermittentes mais n'excluent pas le raccordement au réseau électrique national qui assure une fonction plus large d'équilibre instantané entre l'offre et la demande.

Pour résumer les hypothèses implicites communes aux trois schémas d'approvisionnement énergétique décrits ci-après :

- Les bâtiments neufs sont à énergie positive, mais les quartiers intègrent aussi une proportion importante de bâtiments anciens réhabilités qui ne sont pas à énergie positive (sauf exception)

- La demande de chaleur est fortement réduite mais non nulle pour autant en raison de la persistance de la demande d'eau chaude sanitaire

- L'utilisation des ressources locales d'énergie (énergies renouvelables, déchets, énergies fatales) est recherchée mais les énergies fossiles ne sont pas exclues pour autant

- Pour favoriser l'utilisation des ressources locales, des aides publiques pourront être mises en place (incitation à l'autoconsommation pour l'électricité<fnref n="88" />, aide à l'installation de stockages pour la chaleur, ...).

Les schémas d'approvisionnement identifiés s'inspirent des options techniques utilisées par les écoquartiers en Europe en distinguant trois grands types selon le caractère plus ou moins centralisé / réparti de la production d'énergie :

- Le modèle "systèmes individualisés" s'inspire des dispositifs de chauffage existant de type individuel (par appartement) ou collectif (par immeuble)

- Le modèle "réseau centralisé" reprend le schéma de production centralisée et chaleur et ou d'électricité et la distribution en réseau (modèle réseau de chaleur / froid)

- Le modèle "réseau décentralisé" est également un schéma de distribution chaleur / froid en réseau mais basé sur des dispositifs de production répartie

### 8.4.1 Le modèle "systèmes individualisés" (par bâtiments)

Ce modèle qui correspond à une simple évolution technique des dispositifs d'approvisionnement classiquement utilisés dans les villes aujourd'hui s'appuie sur des systèmes individualisé car les bâtiments (éventuellement un groupe de bâtiments) sont approvisionnés indépendamment les uns des autres par un dispositif de production de chaleur qui leur est propre. Les sources d'énergie utilisées sont des sources locales réparties (solaire, biomasse, géothermie) ou des sources fournies par les réseaux de distribution d'énergie (électricité, gaz).

S'agissant de bâtiments consommant peu d'énergie de chauffage, les besoins de chaleur sont réduits (aux seuls besoins d'eau chaude sanitaire pour les bâtiments neufs). Différents dispositifs de production de chaleur à haut rendement peuvent satisfaire ces besoins (chaudière bois, chaudière gaz à condensation, pompes à chaleur) ou des systèmes combinant apports solaires avec stockage de chaleur et moyens de pointe ou de secours. L'augmentation du poids relatif des besoins d'ECS induit un lissage de la courbe de charge annuelle ce qui permet d'améliorer le facteur de charge et donc de mieux rentabiliser les systèmes plus intensifs en capital (système solaire plus stockage ou PAC plus géothermie). Selon la disponibilité des ressources locales (apports solaires, géothermie) une production complémentaire de chaleur pourra être nécessaire (chaudière gaz par exemple) ou un stockage assurant le déphasage de la

<footnote n="88">⁸⁸ Nous faisons ainsi l'hypothèse que le dispositif actuel de prix garantis qui privilégie l'injection de la production sur le réseau électrique n'existe plus dans sa forme actuelle. Les nouveaux dispositifs favorisent l'autoconsommation ou l'injection sur le réseau aux prix de marché (avec un dispositif de premium éventuel).</footnote>
production solaire sur quelques heures / jours voire un stockage inter-saisonnier. Il faut toutefois que ce stockage soit intégrable dans le bâtiment, car l'option d'un stockage de chaleur à l'échelle du quartier n'est pas considérée ici.

A l'échelle du bâtiment, la principale source de production locale d'électricité est constituée par les systèmes PV qui dans un immeuble collectif ne produisent qu'une faible partie des besoins électriques annuels. Un complément apporté par le réseau est alors nécessaire. Dans l'hypothèse d'une transformation importante du système électrique national (recul massif du nucléaire) on peut considérer comme probable le développement de la cogénération répartie. L'approvisionnement en chaleur et électricité pourrait alors s'effectuer à partir de moteur à gaz<fnref n="89" /> fonctionnant en cogénération. Les cogénérations réparties sont alors pilotées par la demande de chaleur ce qui impose de pouvoir stocker de la chaleur ou de disposer d'une autre source d'électricité lorsqu'il n'y a pas de besoins de chaleur (le réseau est alors la source appropriée).

Un stockage électrique peut assurer la même fonction d'étalement de la production sur quelques heures pour la production des panneaux PV (journée vers soirée) ou de la cogénération mais l'essentiel de l'équilibrage offre / demande sera assurée par le réseau interconnecté (smart grids, stockage de grande taille de type STEP, etc).

Les contraintes pour approvisionner des bâtiments considérés de façon isolée uniquement à partir de sources d'énergies locales décarbonées (biomasse, solaire, ...) sont nombreuses sauf à imaginer une forte réduction de l'ensemble des consommations d'énergie (pas uniquement chauffage mais également ECS et électricité spécifique), et/ou des progrès importants sur les dispositifs de stockage d'énergie (volume et coût). La gestion de la production / consommation d'électricité variable par la mise en relation des bâtiments et la construction d'un stockage à l'échelle du quartier apporte des marges de liberté pour le vecteur électrique ; on peut alors bénéficier du foisonnement des courbes de charges (cf supra), piloter la demande en fonction de la disponibilité de la ressource (smart grid), optimiser le dimensionnement du stockage, etc... Pour autant, en l'état des technologies, la production électrique locale (PV) restera largement inférieure à la consommation dans un quartier constitué de bâtiments à usage collectif, et nécessitera des apports en provenance du réseau. Dans ces conditions, la question de la gestion de l'intermittence et de la localisation du stockage électrique peut se poser, mais elle combinera certainement un grand nombre de stockages distribués de petite taille (essentiellement électro chimiques) avec un nombre plus limité de stockages de plus grande taille répartis sur l'ensemble du réseau électrique.

<footnote n="89">⁸⁹ Le gaz distribué par le réseau pourrait également être largement décarboné avec l'intégration de méthane d'origine biologique (méthanisation)</footnote>
production solaire sur quelques heures / jours voire un stockage inter-saisonnier. Il faut toutefois que ce stockage soit intégrable dans le bâtiment, car l'option d'un stockage de chaleur à l'échelle du quartier n'est pas considérée ici.

A l'échelle du bâtiment, la principale source de production locale d'électricité est constituée par les systèmes PV qui dans un immeuble collectif ne produisent qu'une faible partie des besoins électriques annuels. Un complément apporté par le réseau est alors nécessaire. Dans l'hypothèse d'une transformation importante du système électrique national (recul massif du nucléaire) on peut considérer comme probable le développement de la cogénération répartie. L'approvisionnement en chaleur et électricité pourrait alors s'effectuer à partir de moteur à gaz<fnref n="89" /> fonctionnant en cogénération. Les cogénérations réparties sont alors pilotées par la demande de chaleur ce qui impose de pouvoir stocker de la chaleur ou de disposer d'une autre source d'électricité lorsqu'il n'y a pas de besoins de chaleur (le réseau est alors la source appropriée).

Un stockage électrique peut assurer la même fonction d'étalement de la production sur quelques heures pour la production des panneaux PV (journée vers soirée) ou de la cogénération mais l'essentiel de l'équilibrage offre / demande sera assurée par le réseau interconnecté (smart grids, stockage de grande taille de type STEP, etc).

Les contraintes pour approvisionner des bâtiments considérés de façon isolée uniquement à partir de sources d'énergies locales décarbonées (biomasse, solaire, ...) sont nombreuses sauf à imaginer une forte réduction de l'ensemble des consommations d'énergie (pas uniquement chauffage mais également ECS et électricité spécifique), et/ou des progrès importants sur les dispositifs de stockage d'énergie (volume et coût). La gestion de la production / consommation d'électricité variable par la mise en relation des bâtiments et la construction d'un stockage à l'échelle du quartier apporte des marges de liberté pour le vecteur électrique ; on peut alors bénéficier du foisonnement des courbes de charges (cf supra), piloter la demande en fonction de la disponibilité de la ressource (smart grid), optimiser le dimensionnement du stockage, etc... Pour autant, en l'état des technologies, la production électrique locale (PV) restera largement inférieure à la consommation dans un quartier constitué de bâtiments à usage collectif, et nécessitera des apports en provenance du réseau. Dans ces conditions, la question de la gestion de l'intermittence et de la localisation du stockage électrique peut se poser, mais elle combinera certainement un grand nombre de stockages distribués de petite taille (essentiellement électro chimiques) avec un nombre plus limité de stockages de plus grande taille répartis sur l'ensemble du réseau électrique.

<footnote n="89">⁸⁹ Le gaz distribué par le réseau pourrait également être largement décarboné avec l'intégration de méthane d'origine biologique (méthanisation)</footnote>
<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Figure 35 - Systèmes individualisés</figcaption></figure>

## 8.4.2 Le modèle centralisé

Le modèle centralisé s'appuie sur la distribution de chaleur (et de froid éventuellement) pour tout ou partie des bâtiments du quartier et bénéficie donc du foisonnement des consommations (limité pour la chaleur) et des effets de taille pour la production (économies d'échelle). Comme pour les réseaux de chaleur classiques, la production de chaleur est réalisée de manière centralisée, la biomasse constituant la principale source d'énergie pour des chaufferies de plusieurs dizaines de MW de puissance<fnref n="90" />. L'avantage de la production centralisée pour la combustion de biomasse est de plusieurs ordres :

- **Economique** : les coûts des chaufferies de grande taille (par kW) sont inférieurs à ceux des chaudières plus petites installées en pied d'immeuble.

- **Logistique** : l'approvisionnement et le stockage de grandes quantités de biomasse est plus facile à envisager sur un site dédié à l'échelle du quartier et a fortiori à l'échelle de la ville que pour un grand nombre de bâtiments isolés.

- **Environnemental** : la combustion de biomasse pose des problèmes croissants d'émissions de polluants (micro particules) qu'il est plus fiable et moins coûteux de gérer sur des installations de grande taille.

<footnote n="90">⁹⁰ La principale ressource serait constituée par le bois (brut ou transformé) mais on peut également mentionner pour mémoire l'incinération des déchets ménagers (UIOM)</footnote>
<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Figure 35 - Systèmes individualisés</figcaption></figure>

## 8.4.2 Le modèle centralisé

Le modèle centralisé s'appuie sur la distribution de chaleur (et de froid éventuellement) pour tout ou partie des bâtiments du quartier et bénéficie donc du foisonnement des consommations (limité pour la chaleur) et des effets de taille pour la production (économies d'échelle). Comme pour les réseaux de chaleur classiques, la production de chaleur est réalisée de manière centralisée, la biomasse constituant la principale source d'énergie pour des chaufferies de plusieurs dizaines de MW de puissance<fnref n="90" />. L'avantage de la production centralisée pour la combustion de biomasse est de plusieurs ordres :

- **Economique** : les coûts des chaufferies de grande taille (par kW) sont inférieurs à ceux des chaudières plus petites installées en pied d'immeuble.

- **Logistique** : l'approvisionnement et le stockage de grandes quantités de biomasse est plus facile à envisager sur un site dédié à l'échelle du quartier et a fortiori à l'échelle de la ville que pour un grand nombre de bâtiments isolés.

- **Environnemental** : la combustion de biomasse pose des problèmes croissants d'émissions de polluants (micro particules) qu'il est plus fiable et moins coûteux de gérer sur des installations de grande taille.

<footnote n="90">⁹⁰ La principale ressource serait constituée par le bois (brut ou transformé) mais on peut également mentionner pour mémoire l'incinération des déchets ménagers (UIOM)</footnote>
### Système 2: la production centralisée

1. Production par chaufferies gaz, cogen gaz, biomasse, UIOM, ...

2. Modèle top down : distribution chaleur haute température

3. Possibilité stockage chaleur (jour/nuit pour pointes ou inter-saisonnier ?)

### Réseau de chaleur, production centralisée, sens unique

<figure><img src="image_36.png" /></figure>

## **Figure 36 - Le modèle centralisé**

Dans l'hypothèse d'une évolution importante du système électrique, la cogénération pourrait jouer ici un rôle central avec le développement de centrales produisant de la chaleur et de l'électricité à partir de biomasse ou de gaz. La production locale d'électricité, complétée par celle des installations solaires PV, pourrait alors être significative par rapport à la consommation de l'ensemble du quartier. Dans le cas contraire (pas de cogénération), l'approvisionnement électrique est comparable à celui décrit précédemment (système individualisés) : production répartie (type PV) ou décentralisée (type micro-hydraulique) complétées par les apports réseau.

Le stockage centralisé de chaleur n'est pas indispensable dans cette configuration mais il permet de limiter l'installation et l'utilisation de moyens de production de pointe<fnref n="91" /> (plus coûteux ou plus polluants). Le stockage est en revanche indispensable en complément d'une option de production centralisée de type solaire thermique.

Les principales contraintes que pose ce schéma d'approvisionnement sont d'ordre économique. Le développement d'infrastructures lourdes pour la distribution de chaleur ou de froid impose des investissements conséquents (coûts fixes) dont l'amortissement impose de vendre des quantités de chaleur importantes. Le modèle économique de la distribution de chaleur en réseau risque donc d'être remis en cause par la réduction des consommations de chauffage des bâtiments. Par ailleurs, cette solution est plus complexe à mettre en œuvre dans les quartiers existants rénovés que dans les quartiers neufs où l'installation de l'infrastructure peut être envisagée dès l'origine.

A la différence du modèle précédent, cette option impose une régulation spécifique (type top down qui peut éventuellement être assurée par la municipalité) notamment pour imposer le raccordement au réseau de l'ensemble des bâtiments du quartier et améliorer sa compétitivité économique.

### 8.4.3 Le modèle dé-centralisé

Dans le modèle précédent, l'ensemble (ou une grande partie) de la demande de chaleur est satisfaite par une source de production unique (ou principale) qui bénéficie ainsi d'économies d'échelle en production, associée à un réseau de distribution. Dans le modèle dé-centralisé, on ne dispose pas de moyens de

<footnote n="91">⁹¹ Sauf lorsque la demande de chaleur dépend principalement de l'ECS, la variabilité des besoins de chauffage induit des pointes de demande qui peuvent justifier pour des raisons économiques l'installation de moyens de pointe.</footnote>
<figure><img src="image_36.png" /></figure>

Figure 36 - Le modèle centralisé

Dans l'hypothèse d'une évolution importante du système électrique, la cogénération pourrait jouer ici un rôle central avec le développement de centrales produisant de la chaleur et de l'électricité à partir de biomasse ou de gaz. La production locale d'électricité, complétée par celle des installations solaires PV, pourrait alors être significative par rapport à la consommation de l'ensemble du quartier. Dans le cas contraire (pas de cogénération), l'approvisionnement électrique est comparable à celui décrit précédemment (système individualisés) : production répartie (type PV) ou décentralisée (type micro-hydraulique) complétées par les apports réseau.

Le stockage centralisé de chaleur n'est pas indispensable dans cette configuration mais il permet de limiter l'installation et l'utilisation de moyens de production de pointe<fnref n="91" /> (plus coûteux ou plus polluants). Le stockage est en revanche indispensable en complément d'une option de production centralisée de type solaire thermique.

Les principales contraintes que pose ce schéma d'approvisionnement sont d'ordre économique. Le développement d'infrastructures lourdes pour la distribution de chaleur ou de froid impose des investissements conséquents (coûts fixes) dont l'amortissement impose de vendre des quantités de chaleur importantes. Le modèle économique de la distribution de chaleur en réseau risque donc d'être remis en cause par la réduction des consommations de chauffage des bâtiments. Par ailleurs, cette solution est plus complexe à mettre en œuvre dans les quartiers existants rénovés que dans les quartiers neufs où l'installation de l'infrastructure peut être envisagée dès l'origine.

A la différence du modèle précédent, cette option impose une régulation spécifique (type top down qui peut éventuellement être assurée par la municipalité) notamment pour imposer le raccordement au réseau de l'ensemble des bâtiments du quartier et améliorer sa compétitivité économique.

### 8.4.3 Le modèle dé-centralisé

Dans le modèle précédent, l'ensemble (ou une grande partie) de la demande de chaleur est satisfaite par une source de production unique (ou principale) qui bénéficie ainsi d'économies d'échelle en production, associée à un réseau de distribution. Dans le modèle dé-centralisé, on ne dispose pas de moyens de

<footnote n="91">⁹¹ Sauf lorsque la demande de chaleur dépend principalement de l'ECS, la variabilité des besoins de chauffage induit des pointes de demande qui peuvent justifier pour des raisons économiques l'installation de moyens de pointe.</footnote>
production de grande taille, mais de nombreuses sources de chaleur réparties mises en relation par un réseau de distribution "intelligent". L'échelle de production de la chaleur est donc ici intermédiaire entre la production à l'échelle du bâtiment (systèmes individualisés) et la production à l'échelle de la ville ou du quartier (modèle centralisé). Les moyens de production sont en grande partie répartis (non centralisés) mais à la différence du modèle "systèmes individualisés", ils sont ici mutualisés.

Le modèle dé-centralisé est une évolution du modèle précédent qui présente l'intérêt d'une grande compatibilité avec la forte réduction des consommations de chauffage des bâtiments résultant de la mise en œuvre de la réglementation thermique et des programmes de rénovation du parc ancien. Le principe de distribution de chaleur (ou de froid) est le même mais avec la différence importante d'une circulation de chaleur à basse température. Cela entraîne deux conséquences importantes :

- Associée à des radiateurs adaptés, la distribution en basse température est compatible avec les besoins de chauffage des logements neufs ou rénovés

- De nouvelles ressources non valorisables avec les réseaux classiques à haute température peuvent être exploitées (cf infra), rendant ainsi disponibles de nouvelles sources de chaleur

<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>Figure 37 - Le modèle dé-centralisé</figcaption></figure>

Ainsi, le réseau de distribution de chaleur peut, à l'image des réseaux électriques, fonctionner comme un réseau de collecte et de re-distribution de chaleur à partir de sources réparties. Cela n'est pas incompatible avec un mode de production centralisée (type centrale biomasse) mais le principal intérêt est de collecter des ressources qui ne sont pas ou mal valorisées localement ; en particulier, les réseaux basse température peuvent collecter la chaleur solaire excédentaire produite sur des installations collectives ne disposant pas de stockage ou la chaleur fatale d'installations industrielles (centres de calcul, installation de climatisation). Avec des réseaux à très basse température, il est même possible d'exploiter les calories disponibles dans les eaux usées en association avec des pompes à chaleur.
production de grande taille, mais de nombreuses sources de chaleur réparties mises en relation par un réseau de distribution "intelligent". L'échelle de production de la chaleur est donc ici intermédiaire entre la production à l'échelle du bâtiment (systèmes individualisés) et la production à l'échelle de la ville ou du quartier (modèle centralisé). Les moyens de production sont en grande partie répartis (non centralisés) mais à la différence du modèle "systèmes individualisés", ils sont ici mutualisés.

Le modèle dé-centralisé est une évolution du modèle précédent qui présente l'intérêt d'une grande compatibilité avec la forte réduction des consommations de chauffage des bâtiments résultant de la mise en œuvre de la réglementation thermique et des programmes de rénovation du parc ancien. Le principe de distribution de chaleur (ou de froid) est le même mais avec la différence importante d'une circulation de chaleur à basse température. Cela entraîne deux conséquences importantes :

- Associée à des radiateurs adaptés, la distribution en basse température est compatible avec les besoins de chauffage des logements neufs ou rénovés

- De nouvelles ressources non valorisables avec les réseaux classiques à haute température peuvent être exploitées (cf infra), rendant ainsi disponibles de nouvelles sources de chaleur

<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>Figure 37 - Le modèle dé-centralisé</figcaption></figure>

Ainsi, le réseau de distribution de chaleur peut, à l'image des réseaux électriques, fonctionner comme un réseau de collecte et de re-distribution de chaleur à partir de sources réparties. Cela n'est pas incompatible avec un mode de production centralisée (type centrale biomasse) mais le principal intérêt est de collecter des ressources qui ne sont pas ou mal valorisées localement ; en particulier, les réseaux basse température peuvent collecter la chaleur solaire excédentaire produite sur des installations collectives ne disposant pas de stockage ou la chaleur fatale d'installations industrielles (centres de calcul, installation de climatisation). Avec des réseaux à très basse température, il est même possible d'exploiter les calories disponibles dans les eaux usées en association avec des pompes à chaleur.
<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Figure 38 - Réseaux basse température et sources diversifiées</figcaption></figure>

La distribution de chaleur à basse température permet également d'envisager des stockages de chaleur de grande taille (le stockage basse température limite les déperditions thermiques) ayant pour fonction de stocker les excédents pendant les périodes de faible demande (stockage inter-saisonnier à partir de l'incinération de déchets, centrales solaires, production industrielle) ou sur des périodes plus courtes (jour/nuit). Le stockage basse-température est également compatible avec un fonctionnement en chaud et froid en association avec des pompes à chaleur.

Cette évolution du modèle classique de distribution de chaleur présente des analogies avec l'évolution en cours sur les réseaux électriques conçus à l'origine pour acheminer simplement l'électricité des centrales vers le consommateur final et qui intègrent progressivement une fonction de collecte de la production répartie. Dans le cas présent on parle également de réseaux intelligents disposant de capteurs répartis et traitant une information détaillée sur l'évolution des consommations pour adapter la production et les injections sur le réseau, le stockage, etc... Des coordinations avec les smart grid électriques (à l'échelle locale par exemple) sont aussi possibles pour orienter les excédents électriques vers des stockages de chaleur par exemple. Le modèle peut donc évoluer vers une intégration chaleur / électricité plus poussée que dans les autres schémas décrits plus haut.

On voit toutefois que les problèmes de gouvernance / coordination sont ici plus complexes encore que dans le cas des réseaux de chaleur classiques. Il ne s'agit en effet plus "simplement" d'un classement imposant le raccordement au réseau, il faut convaincre l'ensemble des acteurs que le système qui repose sur la disponibilité de ressources réparties peut fonctionner et construire un modèle économique fonctionnel.

Pour résumer, on retrouvera sur la Figure 39 les trois modèles décrits précédemment que l'on ici a positionnés sur un axe horizontal caractérisant le degré de centralisation (vs décentralisation) du dispositif. A gauche le modèle classique de la distribution de chaleur en réseau est considéré comme centralisé alors que le modèle de production de chaleur par bâtiment, systèmes individualisés, se situe à l'opposé. Entre les deux, le modèle des réseaux intégrés basse-température qui s'appuient sur des moyens de production plus répartis, peut être caractérisé de dé-centralisé. L'autre axe qualifie l'intégration entre les composantes du système (relations entre les composantes du système, double sens, intelligence, pilotage à distance, complexité, etc.). Dans le cas du réseau de chaleur classique, par exemple, l'intégration entre les bâtiments est très faible. Elle est comparable dans le cas des systèmes individualisé, sauf s'il existe un dispositif de stockage de chaleur dans le bâtiment. Et elle est plus grande encore avec le système dé-centralisé qui impose des interactions complexes entre producteurs et consommateurs.
<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>Figure 38 - Réseaux basse température et sources diversifiées</figcaption></figure>

La distribution de chaleur à basse température permet également d'envisager des stockages de chaleur de grande taille (le stockage basse température limite les déperditions thermiques) ayant pour fonction de stocker les excédents pendant les périodes de faible demande (stockage inter-saisonnier à partir de l'incinération de déchets, centrales solaires, production industrielle) ou sur des périodes plus courtes (jour/nuit). Le stockage basse-température est également compatible avec un fonctionnement en chaud et froid en association avec des pompes à chaleur.

Cette évolution du modèle classique de distribution de chaleur présente des analogies avec l'évolution en cours sur les réseaux électriques conçus à l'origine pour acheminer simplement l'électricité des centrales vers le consommateur final et qui intègrent progressivement une fonction de collecte de la production répartie. Dans le cas présent on parle également de réseaux intelligents disposant de capteurs répartis et traitant une information détaillée sur l'évolution des consommations pour adapter la production et les injections sur le réseau, le stockage, etc... Des coordinations avec les smart grid électriques (à l'échelle locale par exemple) sont aussi possibles pour orienter les excédents électriques vers des stockages de chaleur par exemple. Le modèle peut donc évoluer vers une intégration chaleur / électricité plus poussée que dans les autres schémas décrits plus haut.

On voit toutefois que les problèmes de gouvernance / coordination sont ici plus complexes encore que dans le cas des réseaux de chaleur classiques. Il ne s'agit en effet plus "simplement" d'un classement imposant le raccordement au réseau, il faut convaincre l'ensemble des acteurs que le système qui repose sur la disponibilité de ressources réparties peut fonctionner et construire un modèle économique fonctionnel.

Pour résumer, on retrouvera sur la Figure 39 les trois modèles décrits précédemment que l'on ici a positionnés sur un axe horizontal caractérisant le degré de centralisation (vs décentralisation) du dispositif. A gauche le modèle classique de la distribution de chaleur en réseau est considéré comme centralisé alors que le modèle de production de chaleur par bâtiment, systèmes individualisés, se situe à l'opposé. Entre les deux, le modèle des réseaux intégrés basse-température qui s'appuient sur des moyens de production plus répartis, peut être caractérisé de dé-centralisé. L'autre axe qualifie l'intégration entre les composantes du système (relations entre les composantes du système, double sens, intelligence, pilotage à distance, complexité, etc.). Dans le cas du réseau de chaleur classique, par exemple, l'intégration entre les bâtiments est très faible. Elle est comparable dans le cas des systèmes individualisé, sauf s'il existe un dispositif de stockage de chaleur dans le bâtiment. Et elle est plus grande encore avec le système dé-centralisé qui impose des interactions complexes entre producteurs et consommateurs.
# Trois systèmes d'approvisionnement (décentralisation vs intégration)

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>Figure 39 - Trois modèles d'approvisionnement</figcaption></figure>

## 8.5 Quelques questions sur les futurs schémas d'approvisionnement énergétique : réflexion sur les variables clés pour la construction des scénarios de prospective

A partir de cette évocation rapide de trois modèles contrastés pour l'approvisionnement des futurs écoquartiers, quelles sont les variables clés qui émergent et pourraient constituer des éléments de discussions pour l'élaboration des scénarios de prospective ?

### 8.5.1 Efficacité énergétique versus réduction des émissions de CO2

La première dimension qui nous parait centrale est celle des objectifs poursuivis lors de la conception d'un écoquartier<fnref n="92" />. Pour ce qui concerne la dimension énergie – climat, la finalité des écoquartiers est a priori la minimisation des consommations d'énergie et la réduction des émissions de GES. On peut ainsi affecter aux futurs EQ des objectifs de réduction des émissions de GES sur la base des politiques climatiques décidées au plan national ou local (de type facteur 4 à l'horizon 2050, par exemple). Mais le débat sur la transition énergétique pour la France à montré que la question des objectifs d'amélioration de l'efficacité énergétique pouvait être en partie déconnectée de celle de la réduction des émissions de GES. On peut ainsi, à l'échelle d'un quartier, adapter le niveau de performance attendu de la rénovation thermique aux caractéristiques spécifiques de chacun des bâtiments, tout en conservant un objectif global de performance (et en respectant la réglementation). On peut aussi moduler l'objectif global de performance énergétique selon les sources d'énergie disponibles (chaleur décarbonée, sources renouvelables, chaleur fatale, etc. versus gaz naturel ou électricité) pour un même résultat final en termes d'émissions de GES. L'objectif visé dans l'élaboration d'un projet d'écoquartier doit donc être précisé à la fois en termes de réduction des émissions de GES et d'amélioration de l'efficacité énergétique.

La question du périmètre considéré souvent posée en lien avec la première ne semble pas ici faire débat. A l'évidence, la comptabilisation des émissions de GES ne peut se limiter aux seules émissions réalisées

<footnote n="92">⁹² Rappelons que l'on ne s'intéresse dans ce papier uniquement à la dimension énergie – climat des écoquartiers dont la finalité intègre d'autres objectifs environnementaux ou sociaux (efficacité d'usage des ressources naturelles, recyclage, réduction volume de déchets, minimisation besoins de mobilité individuelle, mixité sociale et fonctionnelle, participation des habitants, etc...).</footnote>
# Trois systèmes d'approvisionnement (décentralisation vs intégration)

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>Figure 39 - Trois modèles d'approvisionnement</figcaption></figure>

## 8.5 Quelques questions sur les futurs schémas d'approvisionnement énergétique : réflexion sur les variables clés pour la construction des scénarios de prospective

A partir de cette évocation rapide de trois modèles contrastés pour l'approvisionnement des futurs écoquartiers, quelles sont les variables clés qui émergent et pourraient constituer des éléments de discussions pour l'élaboration des scénarios de prospective ?

### 8.5.1 Efficacité énergétique versus réduction des émissions de CO2

La première dimension qui nous parait centrale est celle des objectifs poursuivis lors de la conception d'un écoquartier<fnref n="92" />. Pour ce qui concerne la dimension énergie – climat, la finalité des écoquartiers est a priori la minimisation des consommations d'énergie et la réduction des émissions de GES. On peut ainsi affecter aux futurs EQ des objectifs de réduction des émissions de GES sur la base des politiques climatiques décidées au plan national ou local (de type facteur 4 à l'horizon 2050, par exemple). Mais le débat sur la transition énergétique pour la France à montré que la question des objectifs d'amélioration de l'efficacité énergétique pouvait être en partie déconnectée de celle de la réduction des émissions de GES. On peut ainsi, à l'échelle d'un quartier, adapter le niveau de performance attendu de la rénovation thermique aux caractéristiques spécifiques de chacun des bâtiments, tout en conservant un objectif global de performance (et en respectant la réglementation). On peut aussi moduler l'objectif global de performance énergétique selon les sources d'énergie disponibles (chaleur décarbonée, sources renouvelables, chaleur fatale, etc. versus gaz naturel ou électricité) pour un même résultat final en termes d'émissions de GES. L'objectif visé dans l'élaboration d'un projet d'écoquartier doit donc être précisé à la fois en termes de réduction des émissions de GES et d'amélioration de l'efficacité énergétique.

La question du périmètre considéré souvent posée en lien avec la première ne semble pas ici faire débat. A l'évidence, la comptabilisation des émissions de GES ne peut se limiter aux seules émissions réalisées

<footnote n="92">⁹² Rappelons que l'on ne s'intéresse dans ce papier uniquement à la dimension énergie – climat des écoquartiers dont la finalité intègre d'autres objectifs environnementaux ou sociaux (efficacité d'usage des ressources naturelles, recyclage, réduction volume de déchets, minimisation besoins de mobilité individuelle, mixité sociale et fonctionnelle, participation des habitants, etc...).</footnote>
sur l'EQ mais doit intégrer également les émissions distantes. Ainsi pour les sources d'énergie, les émissions du réseau de chaleur seront comptabilisées même si la centrale produisant la chaleur n'est pas localisée dans l'EQ, de même pour la production d'électricité.

## 8.5.2 Energie positive versus autonomie

Des objectifs complémentaires ou plus ambitieux peuvent également être envisagés :

- Création d'un EQ à énergie positive, c'est-à-dire produisant une quantité d'énergie équivalente à celle qu'il consomme (préciser sur quelle période, préciser pour quels usages, etc.)

- Création d'un EQ autonome sur le plan énergétique, c'est-à-dire, exploitant au mieux ou exclusivement des ressources énergétiques locales

Dans le premier cas, cela nécessite de combiner efficacité énergétique et maximisation de l'exploitation des ressources énergétiques locales (solaire, biomasse, énergies fatales, etc.) mais il reste possible d'équilibrer l'offre et la demande de chaleur ou d'électricité par le biais des réseaux. Dans le second cas, il sera nécessaire de prévoir un dispositif de stockage important qui assurera l'équilibre offre / demande de façon interne au quartier.

La minimisation des sources d'énergie fossile peut aussi constituer un objectif conduisant à éliminer les options utilisant le gaz naturel (chaudières gaz à condensation, moteurs gaz en cogénération, turbines à gaz) même si cette utilisation reste compatible avec les objectifs de réduction des consommations d'énergie finale et d'émissions de GES.

## 8.5.3 Le système d'approvisionnement énergétique des EQ doit il intégrer le vecteur électrique ou se limiter au vecteur chaleur ou quel avenir pour la cogénération répartie ?

Cette question est apparue lors de l'analyse comparative des schémas d'approvisionnement énergétique dans les EQ en Europe qui a montré qu'au moins jusqu'à une date récente, l'attention accordée au vecteur électricité était très différente entre la France et les autres pays européens. En France, l'intérêt est focalisé d'abord sur la demande et la production de chaleur alors qu'ailleurs en Europe, maîtrise des consommations et production locale sont également importante pour la chaleur et l'électricité. La raison est on le sait que la France dispose avec son parc électronucléaire et hydraulique d'une production d'électricité très peu carbonée alors que la chaleur provient encore en grande partie de sources fossiles (gaz naturel et fioul). Cela a deux conséquences, la production conjointe d'électricité et de chaleur est peu développée dans les projets d'EQ<fnref n="93" /> et les programmes de maîtrise de la demande d'électricité sont moins ambitieux que dans d'autres pays européens.

Si toutefois, le mix de production électrique français devait se modifier (rappelons l'objectif de réduire la part du nucléaire de 75% à 50% à l'horizon 2025), la question pourrait alors se poser de la place de la cogénération et notamment de la cogénération répartie (en pied d'immeuble ou à l'échelle d'un quartier par opposition aux dispositifs de grande taille type centrales électriques en cogénération). Dans l'hypothèse du développement de ces cogénérations deux types de questions peuvent se poser :

Quelles sont les vecteurs énergétiques qui pourraient être utilisés (gaz naturel, gaz naturel décarboné - injection de biogaz dans le réseau -, biogaz, biomasse ?) avec quelles conséquences sur les émissions de GES ? L'installation d'une cogénération au gaz naturel pour l'alimentation électrique d'un EQ en substitution du réseau se traduit, dans le mix actuel, par une augmentation des émissions même en tenant compte de la production conjointe de chaleur.

La cogénération répartie dont la production électrique dépend essentiellement des besoins de chauffage est elle compatible avec l'intégration croissante de sources d'énergie variables sur le réseau électrique et les besoins accrus d'équilibrage offre / demande qu'elles imposent ? On introduit en effet alors une source de production électrique non programmable supplémentaire dans le système électrique puisque les cogénérations réparties produisent de l'électricité lorsqu'apparaît une demande de chaleur.

<footnote n="93">⁹³ La caserne De Bonne constitue à cet égard une exception notable</footnote>
sur l'EQ mais doit intégrer également les émissions distantes. Ainsi pour les sources d'énergie, les émissions du réseau de chaleur seront comptabilisées même si la centrale produisant la chaleur n'est pas localisée dans l'EQ, de même pour la production d'électricité.

## 8.5.2 Energie positive versus autonomie

Des objectifs complémentaires ou plus ambitieux peuvent également être envisagés :

- Création d'un EQ à énergie positive, c'est-à-dire produisant une quantité d'énergie équivalente à celle qu'il consomme (préciser sur quelle période, préciser pour quels usages, etc.)

- Création d'un EQ autonome sur le plan énergétique, c'est-à-dire, exploitant au mieux ou exclusivement des ressources énergétiques locales

Dans le premier cas, cela nécessite de combiner efficacité énergétique et maximisation de l'exploitation des ressources énergétiques locales (solaire, biomasse, énergies fatales, etc.) mais il reste possible d'équilibrer l'offre et la demande de chaleur ou d'électricité par le biais des réseaux. Dans le second cas, il sera nécessaire de prévoir un dispositif de stockage important qui assurera l'équilibre offre / demande de façon interne au quartier.

La minimisation des sources d'énergie fossile peut aussi constituer un objectif conduisant à éliminer les options utilisant le gaz naturel (chaudières gaz à condensation, moteurs gaz en cogénération, turbines à gaz) même si cette utilisation reste compatible avec les objectifs de réduction des consommations d'énergie finale et d'émissions de GES.

## 8.5.3 Le système d'approvisionnement énergétique des EQ doit il intégrer le vecteur électrique ou se limiter au vecteur chaleur ou quel avenir pour la cogénération répartie ?

Cette question est apparue lors de l'analyse comparative des schémas d'approvisionnement énergétique dans les EQ en Europe qui a montré qu'au moins jusqu'à une date récente, l'attention accordée au vecteur électricité était très différente entre la France et les autres pays européens. En France, l'intérêt est focalisé d'abord sur la demande et la production de chaleur alors qu'ailleurs en Europe, maîtrise des consommations et production locale sont également importante pour la chaleur et l'électricité. La raison est on le sait que la France dispose avec son parc électronucléaire et hydraulique d'une production d'électricité très peu carbonée alors que la chaleur provient encore en grande partie de sources fossiles (gaz naturel et fioul). Cela a deux conséquences, la production conjointe d'électricité et de chaleur est peu développée dans les projets d'EQ<fnref n="93" /> et les programmes de maîtrise de la demande d'électricité sont moins ambitieux que dans d'autres pays européens.

Si toutefois, le mix de production électrique français devait se modifier (rappelons l'objectif de réduire la part du nucléaire de 75% à 50% à l'horizon 2025), la question pourrait alors se poser de la place de la cogénération et notamment de la cogénération répartie (en pied d'immeuble ou à l'échelle d'un quartier par opposition aux dispositifs de grande taille type centrales électriques en cogénération). Dans l'hypothèse du développement de ces cogénérations deux types de questions peuvent se poser :

Quelles sont les vecteurs énergétiques qui pourraient être utilisés (gaz naturel, gaz naturel décarboné - injection de biogaz dans le réseau -, biogaz, biomasse ?) avec quelles conséquences sur les émissions de GES ? L'installation d'une cogénération au gaz naturel pour l'alimentation électrique d'un EQ en substitution du réseau se traduit, dans le mix actuel, par une augmentation des émissions même en tenant compte de la production conjointe de chaleur.

La cogénération répartie dont la production électrique dépend essentiellement des besoins de chauffage est elle compatible avec l'intégration croissante de sources d'énergie variables sur le réseau électrique et les besoins accrus d'équilibrage offre / demande qu'elles imposent ? On introduit en effet alors une source de production électrique non programmable supplémentaire dans le système électrique puisque les cogénérations réparties produisent de l'électricité lorsqu'apparaît une demande de chaleur.

<footnote n="93">⁹³ La caserne De Bonne constitue à cet égard une exception notable</footnote>
La question peut donc être posée de l'évolution du mix électrique en France et par conséquence de la place possible que pourrait jouer la production d'électricité en cogénération à l'échelle locale dans nos scénarios. Et inversement, il pourra être intéressant de faire apparaître les impacts sur le réseau électrique du développement

### 8.5.4 Construction neuve versus réhabilitation

Cela ne constitue pas à proprement parler des variables de scénarisation mais il est évident que les critères géographiques (au sens large) peuvent jouer un rôle déterminant sur la nature du projet qui sera mis en œuvre. Ainsi, la surface du quartier peut avoir un lien direct avec la quantité d'énergie accessible à l'échelle locale (installation de panneaux solaire, couvert végétal, etc), de même que son orientation, son positionnement par rapport à l'espace urbain (ensoleillement, vents dominants, etc.). A priori plus la surface du quartier sera importante plus la quantité d'énergie locale mobilisable sera grande, toutes choses étant égales par ailleurs, mais d'autres éléments tels que la densité sont également à prendre en compte. Ainsi, plus le nombre d'habitants ou plus la densité (surface au sol ou surface construite) sont faibles, plus la contribution des sources d'énergie locale à l'approvisionnement énergétique du quartier peut être significative. Les systèmes de production de chaleur solaire répartie associés à un stockage saisonnier couvriront une plus grande part de la consommation pour un groupe de maisons individuelles en périphérie de ville que dans un grand ensemble de logements collectifs en plein centre ville.

La localisation des projets d'EQ est donc également déterminante : une zone enclavée en centre-ville n'offre pas les mêmes possibilités qu'une surface comparable en périphérie de ville, même si on fait l'hypothèse que les bâtiments existants peuvent être détruits et reconstruits, ne serait ce que parce que les contraintes de densité en périphérie sont moins fortes et donc la possibilité de mobiliser les sources énergétiques locales.

Enfin, la nature du projet d'EQ est centrale. Sur les logements neufs il est possible d'atteindre des niveaux de performance énergétique et de mobilisation des énergies renouvelables très élevés. A l'inverse, la réhabilitation thermique de bâtiments existants conduit à des performances énergétiques souvent inférieures et à des coûts plus élevés. Un quartier neuf présentera donc en général des performances énergétiques et environnementales plus élevées qu'un quartier réhabilité.

### 8.5.5 Modes de gouvernance

Les trois schémas d'approvisionnement décrits impliquent des modes de gouvernance assez radicalement différents.

Avec le modèle "systèmes in individualitésé, qui se rapproche du point de vue de l'approvisionnement énergétique du modèle actuel dominant, l'intervention publique est assez limitée. Pour ce qui est de la chaleur, les concepteurs du bâtiment décident de la source d'énergie de chauffage, puis le propriétaire ou les co-propriétaires ou gestionnaires négocient les modalités de fourniture avec un fournisseur.

Les choses se compliquent éventuellement en cas de chauffage collectif associé à un stockage collectif de chaleur (solaire BT par exemple) : comment l'accès à la source d'énergie gratuite est il collectivement organisé ? Dans ce schéma d'approvisionnement qui ne nécessite a priori pas d'intervention publique, on doit donc spécifier quand même si les habitants / utilisateurs fonctionnent ou non en mode coopératif. De la même façon avec l'électricité ; dans le cas d'une production locale collective (installation solaire PV), les habitants peuvent avoir intérêt à maximiser l'autoconsommation (ie consommer plus en période ensoleillée et limiter la consommation en soirée par exemple) ; mais comment créer l'incitation adéquate : par la réglementation, l'incitation au comportement vertueux, un signal tarifaire, ... ?

A l'inverse, le modèle centralisé avec la création de réseaux de distribution et de moyens de production centralisés de chaleur peut nécessiter une gouvernance publique plus forte pour sa mise en place : autorisation d'utilisation du domaine public pour le passage des infrastructures, éventuellement obligation de raccordement pour certains bâtiments, etc... Puis en phase de fonctionnement, les problèmes de gestion associés à l'existence d'un dispositif centralisé de stockage de chaleur reviennent à l'exploitant, mais ne se posent pas à l'échelle du bâtiment.
La question peut donc être posée de l'évolution du mix électrique en France et par conséquence de la place possible que pourrait jouer la production d'électricité en cogénération à l'échelle locale dans nos scénarios. Et inversement, il pourra être intéressant de faire apparaître les impacts sur le réseau électrique du développement

### 8.5.4 Construction neuve versus réhabilitation

Cela ne constitue pas à proprement parler des variables de scénarisation mais il est évident que les critères géographiques (au sens large) peuvent jouer un rôle déterminant sur la nature du projet qui sera mis en œuvre. Ainsi, la surface du quartier peut avoir un lien direct avec la quantité d'énergie accessible à l'échelle locale (installation de panneaux solaire, couvert végétal, etc), de même que son orientation, son positionnement par rapport à l'espace urbain (ensoleillement, vents dominants, etc.). A priori plus la surface du quartier sera importante plus la quantité d'énergie locale mobilisable sera grande, toutes choses étant égales par ailleurs, mais d'autres éléments tels que la densité sont également à prendre en compte. Ainsi, plus le nombre d'habitants ou plus la densité (surface au sol ou surface construite) sont faibles, plus la contribution des sources d'énergie locale à l'approvisionnement énergétique du quartier peut être significative. Les systèmes de production de chaleur solaire répartie associés à un stockage saisonnier couvriront une plus grande part de la consommation pour un groupe de maisons individuelles en périphérie de ville que dans un grand ensemble de logements collectifs en plein centre ville.

La localisation des projets d'EQ est donc également déterminante : une zone enclavée en centre-ville n'offre pas les mêmes possibilités qu'une surface comparable en périphérie de ville, même si on fait l'hypothèse que les bâtiments existants peuvent être détruits et reconstruits, ne serait ce que parce que les contraintes de densité en périphérie sont moins fortes et donc la possibilité de mobiliser les sources énergétiques locales.

Enfin, la nature du projet d'EQ est centrale. Sur les logements neufs il est possible d'atteindre des niveaux de performance énergétique et de mobilisation des énergies renouvelables très élevés. A l'inverse, la réhabilitation thermique de bâtiments existants conduit à des performances énergétiques souvent inférieures et à des coûts plus élevés. Un quartier neuf présentera donc en général des performances énergétiques et environnementales plus élevées qu'un quartier réhabilité.

### 8.5.5 Modes de gouvernance

Les trois schémas d'approvisionnement décrits impliquent des modes de gouvernance assez radicalement différents.

Avec le modèle "systèmes in individualitésé, qui se rapproche du point de vue de l'approvisionnement énergétique du modèle actuel dominant, l'intervention publique est assez limitée. Pour ce qui est de la chaleur, les concepteurs du bâtiment décident de la source d'énergie de chauffage, puis le propriétaire ou les co-propriétaires ou gestionnaires négocient les modalités de fourniture avec un fournisseur.

Les choses se compliquent éventuellement en cas de chauffage collectif associé à un stockage collectif de chaleur (solaire BT par exemple) : comment l'accès à la source d'énergie gratuite est il collectivement organisé ? Dans ce schéma d'approvisionnement qui ne nécessite a priori pas d'intervention publique, on doit donc spécifier quand même si les habitants / utilisateurs fonctionnent ou non en mode coopératif. De la même façon avec l'électricité ; dans le cas d'une production locale collective (installation solaire PV), les habitants peuvent avoir intérêt à maximiser l'autoconsommation (ie consommer plus en période ensoleillée et limiter la consommation en soirée par exemple) ; mais comment créer l'incitation adéquate : par la réglementation, l'incitation au comportement vertueux, un signal tarifaire, ... ?

A l'inverse, le modèle centralisé avec la création de réseaux de distribution et de moyens de production centralisés de chaleur peut nécessiter une gouvernance publique plus forte pour sa mise en place : autorisation d'utilisation du domaine public pour le passage des infrastructures, éventuellement obligation de raccordement pour certains bâtiments, etc... Puis en phase de fonctionnement, les problèmes de gestion associés à l'existence d'un dispositif centralisé de stockage de chaleur reviennent à l'exploitant, mais ne se posent pas à l'échelle du bâtiment.
Enfin, le modèle dé-centralisé est probablement le plus complexe du point de vue de la gouvernance et également celui qui nécessite une coordination/ interaction la plus poussée entre les acteurs. Le besoin de gouvernance publique en phase d'élaboration du projet est important. Comme pour le modèle centralisé, la création du réseau et des moyens de production, nécessitent une décision publique. Mais le caractère décentralisé des moyens de production rend l'élaboration du projet plus complexe : il faut à la fois convaincre les offreurs de l'intérêt d'un raccordement au réseau et les consommateurs de la disponibilité d'une offre qui repose sur des sources réparties, en partie intermittentes, gérées par des acteurs totalement différents (eaux usées, capteurs solaires BT, géothermie, chaleur industrielle, etc.). A la différence du système centralisé où un exploitant du réseau décide des moyens de production à mobiliser, des stockages à utiliser, etc en fonction de la demande, le système dé-centralisé met en relation un grand nombre d'acteurs qu'il faut coordonner au mieux.

### 8.5.6 Maîtrise de la demande d'électricité

Dans le système actuel, les incitations à la maitrise des consommations d'électricité sont de plusieurs ordres :

- Réglementaire (suppression des ampoules à incandescence par exemple)

- Economique (différenciations tarifaires)

- Informative (étiquetage des consommations, labélisation, etc.)

A terme ces incitations pourraient évoluer avec la généralisation des réseaux électriques intelligents qui s'accompagneront d'incitations renforcées à réduire les consommations ou déplacer les charges (accès immédiat et facilité à l'information, grilles tarifaires plus différenciées, contrats d'effacement, etc...).

Ces dispositifs pourront ou non être territorialisés. Les systèmes qui se développent aujourd'hui dans les écoquartiers constituent des opérations de démonstration qui exploitent la visibilité de ces réalisations très exposées mais ils pourraient de la même façon concerner une ville entière ou une région. Les éventuels avantages associés à la proximité, à l'agglomération ne sont pas réellement exploités.

On peut toutefois imaginer que des acteurs émergent à l'échelle des quartiers pour agir plus efficacement sur la demande (effet de proximité, d'information, de sensibilisation) et pour regrouper des offres d'effacement qu'ils auraient alors la possibilité de valoriser sur le marché de l'électricité. Il s'agirait alors d'une fonction d'aggrégateur qui se distinguerait des offres plus classique par le territoire concerné. Cette fonction prendrait tout son sens si elle ne se limitait pas à la seule gestion de la demande (réduction des consommations, déplacement des charges) mais intégrait également la gestion des productions réparties, les injections et soutirages sur le réseau, l'optimisation du fonctionnement du stockage. Dans les futurs écoquartiers, les producteurs répartis pourraient ainsi :

- Gérer la production locale d'électricité de façon individualisée (même en cas d'installation collective de type PV ou cogénération) à l'échelle d'un bâtiment en maximisant l'autoconsommation et en valorisant les injections de surplus par l'intermédiaire d'un aggrégateur "quelconque"

- Ou fonctionner collectivement à l'échelle du quartier en équilibrant production et consommation entre les bâtiments selon les périodes de la journée ou les jours de la semaine (cf IssyGrid et la production PV sur les bâtiments tertiaire utilisés dans les bâtiments de logement pendant le week end).

Ce fonctionnement collectif impose bien entendu des incitations appropriées.

### 8.5.7 Production d'électricité répartie (systèmes d'incitation)

On peut raisonnablement faire l'hypothèse qu'en 2040 le dispositif d'incitation à la production d'énergie renouvelable sous la forme de prix garantis tel qu'il existe aujourd'hui aura disparu ou sera largement modifié (trop coûteux, trop peu compatible avec un marché électrique libéralisé, pas d'incitation à l'équilibre offre / demande, etc...). Les incitations qui subsisteront pourraient être de deux ordres :
Enfin, le modèle dé-centralisé est probablement le plus complexe du point de vue de la gouvernance et également celui qui nécessite une coordination/ interaction la plus poussée entre les acteurs. Le besoin de gouvernance publique en phase d'élaboration du projet est important. Comme pour le modèle centralisé, la création du réseau et des moyens de production, nécessitent une décision publique. Mais le caractère décentralisé des moyens de production rend l'élaboration du projet plus complexe : il faut à la fois convaincre les offreurs de l'intérêt d'un raccordement au réseau et les consommateurs de la disponibilité d'une offre qui repose sur des sources réparties, en partie intermittentes, gérées par des acteurs totalement différents (eaux usées, capteurs solaires BT, géothermie, chaleur industrielle, etc.). A la différence du système centralisé où un exploitant du réseau décide des moyens de production à mobiliser, des stockages à utiliser, etc en fonction de la demande, le système dé-centralisé met en relation un grand nombre d'acteurs qu'il faut coordonner au mieux.

### 8.5.6 Maîtrise de la demande d'électricité

Dans le système actuel, les incitations à la maitrise des consommations d'électricité sont de plusieurs ordres :

- Réglementaire (suppression des ampoules à incandescence par exemple)

- Economique (différenciations tarifaires)

- Informative (étiquetage des consommations, labélisation, etc.)

A terme ces incitations pourraient évoluer avec la généralisation des réseaux électriques intelligents qui s'accompagneront d'incitations renforcées à réduire les consommations ou déplacer les charges (accès immédiat et facilité à l'information, grilles tarifaires plus différenciées, contrats d'effacement, etc...).

Ces dispositifs pourront ou non être territorialisés. Les systèmes qui se développent aujourd'hui dans les écoquartiers constituent des opérations de démonstration qui exploitent la visibilité de ces réalisations très exposées mais ils pourraient de la même façon concerner une ville entière ou une région. Les éventuels avantages associés à la proximité, à l'agglomération ne sont pas réellement exploités.

On peut toutefois imaginer que des acteurs émergent à l'échelle des quartiers pour agir plus efficacement sur la demande (effet de proximité, d'information, de sensibilisation) et pour regrouper des offres d'effacement qu'ils auraient alors la possibilité de valoriser sur le marché de l'électricité. Il s'agirait alors d'une fonction d'aggrégateur qui se distinguerait des offres plus classique par le territoire concerné. Cette fonction prendrait tout son sens si elle ne se limitait pas à la seule gestion de la demande (réduction des consommations, déplacement des charges) mais intégrait également la gestion des productions réparties, les injections et soutirages sur le réseau, l'optimisation du fonctionnement du stockage. Dans les futurs écoquartiers, les producteurs répartis pourraient ainsi :

- Gérer la production locale d'électricité de façon individualisée (même en cas d'installation collective de type PV ou cogénération) à l'échelle d'un bâtiment en maximisant l'autoconsommation et en valorisant les injections de surplus par l'intermédiaire d'un aggrégateur "quelconque"

- Ou fonctionner collectivement à l'échelle du quartier en équilibrant production et consommation entre les bâtiments selon les périodes de la journée ou les jours de la semaine (cf IssyGrid et la production PV sur les bâtiments tertiaire utilisés dans les bâtiments de logement pendant le week end).

Ce fonctionnement collectif impose bien entendu des incitations appropriées.

### 8.5.7 Production d'électricité répartie (systèmes d'incitation)

On peut raisonnablement faire l'hypothèse qu'en 2040 le dispositif d'incitation à la production d'énergie renouvelable sous la forme de prix garantis tel qu'il existe aujourd'hui aura disparu ou sera largement modifié (trop coûteux, trop peu compatible avec un marché électrique libéralisé, pas d'incitation à l'équilibre offre / demande, etc...). Les incitations qui subsisteront pourraient être de deux ordres :
- Tarif d'achat garanti doté d'une très forte composante incitant à l'autoconsommation ; les consommateurs seront alors incités à déplacer au maximum leurs consommations pendant les périodes de fort ensoleillement ou à investir dans un dispositif de stockage

- Pas de tarif d'achat en faveur de la production renouvelable répartie ; les producteurs d'énergie répartie sont rémunérés aux conditions du marché électrique (éventuellement par l'intermédiaire d'un aggrégateur) avec des écarts de prix selon les périodes (heures pleines / heures creuses / hyperpointe) ; comme dans le cas précédent les producteurs distribués sont incités à réserver leurs injections aux périodes de prix élevés et à déplacer leur consommation vers les heures creuses et/ou stocker la production PV pour revendre en heures pleines.

Dans les deux cas, les producteurs d'électricité répartie seront incités à installer des dispositifs de stockage d'électricité plus ou moins importants à l'échelle du bâtiment.

Dans l'hypothèse ou l'agrégation serait effectuée par un acteur à l'échelle du quartier (regroupement de syndicats de copropriétaires par ex.), le stockage pourrait être de taille plus importante, autorisant une optimisation sur une échelle plus large que le seul bâtiment.

### 8.5.8 Quelle régulation équilibre offre / demande ?

La question de la gestion de l'équilibre offre / demande qui pourrait devenir une question centrale pour le système électrique compte tenu des perspectives d'intégration de quantités croissantes d'énergies intermittentes peut également interférer sur les schémas d'approvisionnement énergétique des écoquartiers. Les dispositifs envisagés pour gérer l'équilibre offre/ demande sont les suivants :

- Pilotage des charges (les smart grids associés à des offres tarifaires spécifiques)

- Dispositifs de stockage d'électricité (soit de grande taille en nombre limité – STEP – soit de petite taille en grand nombre – véhicules électriques) ou stockage d'électricité sous forme de chaleur

- Centrales de back up (ou interconnexions)

A priori, l'élargissement du périmètre concerné (SG ou VE) ou de la taille des dispositifs (STEP ou centrales de back up) tend à améliorer leur efficacité : plus le nombre de consommateurs concernés est important plus les effets des smart grids sur la charge seront significatifs, par exemple (effet de masse); plus la taille des centrale de back up est grande plus les coûts unitaires sont faibles (économies d'échelle) ; on peut donc imaginer une évolution du système électrique qui gère de façon centralisée les productions réparties intermittentes. Mais à l'inverse, on peut imaginer une gestion rapprochée des productions réparties intermittentes, par exemple à l'échelle de la ville ou du quartier, qui viserait à maximiser l'exploitation des ressources locales, profiter de compétences et synergies à l'échelle locale (assainissement, déchets, logement social, transport public ...), pour un projet visant à renforcer l'autonomie énergétique régionale / locale. Dans cette perspective, une partie de la responsabilité de l'équilibre offre/ demande pourrait incomber à l'échelle locale se traduisant par le développement de stockages locaux de taille plus faible associés à des systèmes de smart grids optimisant entre déplacement des charges, stockage, import / export d'électricité et combinant les vecteurs électricité et chaleur. Des aggrégateurs (de type public / associatif) pourraient ainsi prendre en charge l'équilibre O/D local. Ils constitueraient l'interface entre l'ensemble des consommateurs / producteurs d'électricité répartie et le marché électrique en proposant des offres d'effacement ou des offres de vente d'électricité renouvelable intégrant une garantie de puissance (l'aggrégateur évite alors de payer des pénalités de déséquilibre en combinant les moyens de production locale et les capacités d'effacement sur l'écoquartier).
- Tarif d'achat garanti doté d'une très forte composante incitant à l'autoconsommation ; les consommateurs seront alors incités à déplacer au maximum leurs consommations pendant les périodes de fort ensoleillement ou à investir dans un dispositif de stockage

- Pas de tarif d'achat en faveur de la production renouvelable répartie ; les producteurs d'énergie répartie sont rémunérés aux conditions du marché électrique (éventuellement par l'intermédiaire d'un aggrégateur) avec des écarts de prix selon les périodes (heures pleines / heures creuses / hyperpointe) ; comme dans le cas précédent les producteurs distribués sont incités à réserver leurs injections aux périodes de prix élevés et à déplacer leur consommation vers les heures creuses et/ou stocker la production PV pour revendre en heures pleines.

Dans les deux cas, les producteurs d'électricité répartie seront incités à installer des dispositifs de stockage d'électricité plus ou moins importants à l'échelle du bâtiment.

Dans l'hypothèse ou l'agrégation serait effectuée par un acteur à l'échelle du quartier (regroupement de syndicats de copropriétaires par ex.), le stockage pourrait être de taille plus importante, autorisant une optimisation sur une échelle plus large que le seul bâtiment.

### 8.5.8 Quelle régulation équilibre offre / demande ?

La question de la gestion de l'équilibre offre / demande qui pourrait devenir une question centrale pour le système électrique compte tenu des perspectives d'intégration de quantités croissantes d'énergies intermittentes peut également interférer sur les schémas d'approvisionnement énergétique des écoquartiers. Les dispositifs envisagés pour gérer l'équilibre offre/ demande sont les suivants :

- Pilotage des charges (les smart grids associés à des offres tarifaires spécifiques)

- Dispositifs de stockage d'électricité (soit de grande taille en nombre limité – STEP – soit de petite taille en grand nombre – véhicules électriques) ou stockage d'électricité sous forme de chaleur

- Centrales de back up (ou interconnexions)

A priori, l'élargissement du périmètre concerné (SG ou VE) ou de la taille des dispositifs (STEP ou centrales de back up) tend à améliorer leur efficacité : plus le nombre de consommateurs concernés est important plus les effets des smart grids sur la charge seront significatifs, par exemple (effet de masse); plus la taille des centrale de back up est grande plus les coûts unitaires sont faibles (économies d'échelle) ; on peut donc imaginer une évolution du système électrique qui gère de façon centralisée les productions réparties intermittentes. Mais à l'inverse, on peut imaginer une gestion rapprochée des productions réparties intermittentes, par exemple à l'échelle de la ville ou du quartier, qui viserait à maximiser l'exploitation des ressources locales, profiter de compétences et synergies à l'échelle locale (assainissement, déchets, logement social, transport public ...), pour un projet visant à renforcer l'autonomie énergétique régionale / locale. Dans cette perspective, une partie de la responsabilité de l'équilibre offre/ demande pourrait incomber à l'échelle locale se traduisant par le développement de stockages locaux de taille plus faible associés à des systèmes de smart grids optimisant entre déplacement des charges, stockage, import / export d'électricité et combinant les vecteurs électricité et chaleur. Des aggrégateurs (de type public / associatif) pourraient ainsi prendre en charge l'équilibre O/D local. Ils constituerait l'interface entre l'ensemble des consommateurs / producteurs d'électricité répartie et le marché électrique en proposant des offres d'effacement ou des offres de vente d'électricité renouvelable intégrant une garantie de puissance (l'aggrégateur évite alors de payer des pénalités de déséquilibre en combinant les moyens de production locale et les capacités d'effacement sur l'écoquartier).