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Est-il possible, grâce à la technologie actuelle, d'exploiter un site urbain entier de manière qu’il ait un bilan énergétique neutre ? Des chercheurs de la Haute école spécialisée de Suisse orientale ont étudié la question à propos d'un projet de construction à Rapperswil-Jona.
Le projet de construction actuellement en cours de réalisation dans le quartier de Schachen à Rapperswil-Jona (SG) n'est pas seulement novateur en termes de conditions de travail et de logement. Il se met également en phase avec son temps en matière d'approvisionnement énergétique, en faisant appel à des sources renouvelables. L'objectif est de parvenir à un bilan net zéro : les bâtiments doivent produire au moins autant d'énergie qu'ils en consomment. Mais est-ce possible, compte tenu de la grande diversité de leur utilisation : bureaux, laboratoires, hôtel, restaurant, établissement médico-social ?
La pompe à chaleur sur nappe phréatique est la plus efficace
Une étude de faisabilité menée par la Haute école spécialisée de Suisse orientale aboutit à une conclusion positive. Les instituts de technique énergétique et de technologie solaire de cette HES ont étudié les besoins en énergie pour le chauffage et le refroidissement desdits bâtiments. L'étude se concentre sur l'alimentation en énergie ; les influences de l'architecture et des matériaux utilisés n'ont pas été examinées en détail.
Selon l'étude, les pompes à chaleur sont la meilleure option pour le chauffage. D’une part, elles sont très efficaces pour les nouveaux bâtiments, où le chauffage fonctionne à des températures relativement peu élevées. D’autre part, le site de Schachen dispose de diverses sources de chaleur à basse température adaptées à l’exploitation de pompes à chaleur. L’étude compare différentes sources de chaleur possibles : la nappe phréatique, la géothermie, l'eau de l'Obersee voisin et la chaleur résiduelle d'une station d'épuration. Vu son bas niveau de température, la chaleur résiduelle présente l’avantage que la même installation peut également l’utiliser pour le refroidissement.
Mais les autres sources de chaleur sont encore plus efficaces : leurs températures de 10 à 15 degrés Celsius sont suffisamment basses pour rendre possible un refroidissement direct des bâtiments en été sans technologie supplémentaire (free cooling). Ces sources ne nécessitent donc que de l'énergie de pompage, ce qui permet d’atteindre un très haut rendement aussi en mode de refroidissement. L’exploitation de la nappe phréatique est particulièrement efficace : elle consomme moins d'énergie primaire et produit moins d'émissions de gaz à effet de serre que l’utilisation des autres sources de chaleur étudiées.
L’exploitation de la nappe phréatique est également la plus économique
En raison de la faible consommation d'énergie et du fait qu'aucune infrastructure supplémentaire n'est nécessaire, les coûts du fonctionnement en free cooling sont également faibles. Selon l'étude, la nappe phréatique est la source de chaleur la plus économique. Ceci ressort des calculs des chercheurs pour le premier ensemble bâti du projet de construction, le NefTechPark. Comme les besoins de chauffage et de refroidissement sont du même ordre de grandeur, l'option des eaux souterraines est encore plus économique que l’utilisation du gaz naturel, le combustible fossile le plus efficace. Le recours exclusif au gaz naturel serait de toute façon en contradiction avec le concept énergétique du projet.
Toutefois, afin de réduire encore davantage les coûts, on pourrait envisager une petite part de combustibles fossiles ou biogènes. Cela permettrait de couvrir les charges de pointe (par exemple pendant les journées d'hiver très froides) et de dimensionner plus faiblement la pompe à chaleur. L'étude montre que ces charges de pointe représentent au maximum trois pour cent de la demande totale de chaleur. Ceux-ci pourraient facilement être couverts par des carburants biogènes tels que le biogaz, ce qui serait également une option entièrement renouvelable.
Les variantes avec eau du lac ou chaleur résiduelle sont plus coûteuses à réaliser, mais présentent également des coûts d'exploitation faibles. Si des consommatrices et consommateurs situés au-delà du périmètre considéré étaient intégrés, ces sources de chaleur offriraient également une situation favorable en termes de coûts.
Des cellules solaires pour produire sa propre électricité
Pour que le site ait un bilan énergétique net zéro, il doit nécessairement produire sa propre électricité avec des installations photovoltaïques. L'étude suppose qu’elles sont connectées au réseau électrique public. Dans les conditions de charge prévues, 50 pour cent du courant solaire est consommé par le site lui-même. Le reste est injecté dans le réseau. Mais cette proportion varie en fonction de l'ensoleillement : lorsque la production photovoltaïque est faible, le site soutire de l'électricité du réseau, et quand les conditions sont bonnes, il alimente ce dernier dans une proportion plus importante. Sur l'année, cependant, le rendement reste relativement constant.
Actuellement, les coûts de production de l'électricité solaire et la rétribution du courant injecté appliquée à Rapperswil-Jona rendent ce système également rentable sur le plan économique. Globalement, le courant tiré des installations photovoltaïques est même moins cher que celui provenant du réseau.
L'énergie pourrait également être stockée sur le site en utilisant le surplus de courant solaire pour produire de l'hydrogène synthétique ou du méthane par un processus de conversion de l'électricité en gaz (procédé power-to-gas). Des batteries pour le stockage à court terme seraient également envisageables. Cependant, ces technologies sont encore très coûteuses, de sorte que le stockage de l'énergie n'est pas encore économiquement viable à l'heure actuelle. Néanmoins, comme les batteries sont de moins en moins chères en raison de la croissance de la mobilité électrique, le stockage pourrait également devenir rentable à l'avenir.
Il faut de bonnes conditions-cadres
L'étude de faisabilité de la Haute école spécialisée de Suisse orientale montre ainsi que les techniques disponibles aujourd’hui permettent déjà d’alimenter entièrement en énergie renouvelable, avec un bilan énergétique équilibré, des sites tels que le quartier de Schachen à Rapperswil-Jona, et ceci de manière économiquement rentable. La condition préalable est qu’il existe de bonnes conditions-cadres en matière de chauffage et de refroidissement et que les technologies les plus efficaces soient utilisées de façon cohérente. En outre, le site doit être au bénéfice d’une rétribution attrayante du courant injecté.
Dans son cluster Climat, la Haute école spécialisée de Suisse orientale (OST) regroupe le savoir issu des disciplines techniques, sociales et de planification dans des stratégies climatiques. Des projets tels que le site « zéro net » de Schachen sont de bons exemples de la manière de concevoir un approvisionnement énergétique futur respectueux du climat.