La ville sous tension : la Smart City organise l'énergie
par Dirk Baranek | 19.06.2019
Le concept de Smart City implique notamment un système de production et d'utilisation de l'énergie étroitement interconnecté. Les villes doivent s'orienter dans cette direction pour influencer positivement leur bilan carbone. Car jusqu'à présent, les villes sont avant tout des lieux de consommation d'énergie. Cela va changer.
Pourquoi la Smart City est-elle judicieuse ?
Elle est économiquement pertinente lorsque la production d'énergie et son utilisation sont liées localement. Si l'électricité est produite là où les gens vivent, cela permet d'économiser d'énormes ressources. Surtout, le système de lignes est délesté et l'extension du réseau avec des lignes électriques controversées est superflue. C'est pourquoi il est juste que les villes réfléchissent à la manière dont elles peuvent produire de l'énergie utilisable sur leur territoire.
Comme il est interdit d'installer des éoliennes à proximité des habitations et que l'énergie hydraulique est limitée, les efforts se concentrent sur deux technologies : le photovoltaïque et la production combinée de chaleur et d'électricité. La smart city produit sur place l'électricité qu'elle consomme. Les villes de plusieurs millions d'habitants organisent des millions de producteurs d'électricité qui fournissent de l'électricité à la ville grâce à de grandes et petites installations. Le stockage de l'électricité avec des stratégies de charge et de décharge optimisées etdes systèmes de surveillance solaire intelligents constituent une partie fondamentale du système pour que cette Smart City fonctionne.
Cogénération : presque capable d'assurer la charge de base
Les villes de l'hémisphère nord ont un désavantage par rapport à celles du sud en matière d'approvisionnement énergétique : elles doivent utiliser de l'énergie pour le chauffage. Certes, de nombreux climatiseurs fonctionnent à cet effet dans le Sud, mais le chauffage des bâtiments nécessite des quantités d'énergie bien plus importantes. Ces capacités continueront à être fournies en grande partie par des sources d'énergie fossiles dans les décennies à venir. Il est donc d'autant plus important de les utiliser efficacement. C'est le cœur de la cogénération: lorsque l'énergie de chauffage est nécessaire, les systèmes produisent simultanément de la chaleur ainsi que de l'électricité et atteignent ainsi des rendements de près de 100 %.
Les centrales de cogénération et les chauffages à pile à combustible consomment du gaz naturel ou du biogaz et, lorsqu'ils chauffent de l'eau, produisent de l'électricité avec la chaleur du processus. Ces chauffages sont une source d'électricité bienvenue en automne et en hiver. Ils produisent presque sans interruption, ce qui permet à cette électricité de répondre à la charge de base. Des centaines de milliers de petites centrales électriques très efficaces avec un rendement de 95 % au lieu de quelques grandes centrales aux portes de la ville avec un rendement de 45 % maximum, voilà les alternatives.
La Smart City s'efforce donc de promouvoir les systèmes de chauffage qui produisent de la chaleur et de l'électricité. Du moins jusqu'à ce que l'utilisation d'énergies fossiles soit totalement abandonnée.
Photovoltaïque : les smart cities ont suffisamment d'espace
La production d'électricité photovoltaïque se situe désormais à un très bon niveau de rentabilité. Si bien que ces installations sont exploitées de manière rentable même dans des circonstances climatiques plutôt défavorables - sans parler de la nécessité de leur utilisation en termes de politique climatique. Pour les villes, le défi du développement des capacités de production solaire réside dans l'espace qu'elles nécessitent. Le photovoltaïque nécessite de la surface. Cela décourage certains de nos contemporains qui ne peuvent s'habituer à la visibilité publique des installations productrices d'électricité. Pour se rassurer, on peut constater que : L'espace nécessaire n'est pas aussi important qu'on pourrait le craindre.
Voici quelques chiffres à titre indicatif :
- Un mètre carré d'installation photovoltaïque permet de produire environ 200 kWh d'électricité par an.
- Une ville de 600 000 habitants comme Stuttgart a besoin d'environ 840 millions de kWh d'électricité par an.
- Si l'on produisait la moitié de l'électricité de Stuttgart avec le photovoltaïque, il faudrait donc une surface de 2,1 millions de mètres carrés.
- À titre de comparaison, les bâtiments de Stuttgart couvrent une surface de près de 38 millions de mètres carrés. Les surfaces de circulation occupent 30 millions de mètres carrés supplémentaires.
Conclusion : oui, le photovoltaïque a besoin de surface, mais certainement pas dans des proportions que les villes ne pourraient pas gérer. Il s'agit plutôt d'activer des surfaces dans les villes qui sont économiquement viables et sur lesquelles le photovoltaïque s'intègre de manière organique dans l'espace urbain.
Le PV sur les toits anciens et nouveaux de la ville
Dans une ville intelligente, on trouvera des modules photovoltaïques sur chaque toit s'il est judicieux d'y produire de l'électricité : maisons privées, bâtiments destinés à l'industrie et au commerce, bâtiments publics tels que les écoles, les salles de sport et les installations administratives, les dépôts, etc. La ville intelligente s'efforce d'exploiter complètement le potentiel qui s'offre à elle pour la production d'électricité.
Et la ville intelligente sera inventive dans la recherche de ces potentiels. Il y aura du PV sur les arrêts de bus, sur les zones de circulation nouvellement couvertes, comme les parkings ou les derniers étages des parkings.
De nouvelles possibilités techniques, intégrant par exemple le photovoltaïque directement dans les tuiles, permettront bientôt de produire de l'électricité sur chaque toit de la ville et à de nombreux endroits de l'espace public.
Utiliser la verticalité
Les immeubles de grande hauteur produiront de l'électricité grâce à leurs façades en verre. Il existe différentes approches techniques pour produire de l'électricité avec les revêtements des gratte-ciel. Les cellules solaires semi-transparentes dans le verre des fenêtres, par exemple, n'utilisent qu'une partie du spectre lumineux pour produire de l'énergie et transmettent l'autre sous forme de lumière assombrie ou colorée.
Toutes ces approches ont un inconvénient : le rendement de ces modules en verre est loin d'être aussi élevé que celui des modules PV normaux. Les verres spéciaux produisent à peine plus de 10 %. Toutefois, les surfaces verticales des immeubles de grande hauteur sont plusieurs fois plus importantes que les surfaces de toitures horizontales construites.
Les balustrades, qui ne se trouvent pas uniquement sur les balcons des immeubles dans les villes, constituent un autre champ d'action pour le PV. Ponts, parapets de terrasses, etc : Les fournisseurs font preuve d'inventivité et développent des éléments absolument sans risque d'accident qui produisent de l'électricité.
C'est la masse qui fait la différence
Conséquence de ces multiples possibilités d'application du photovoltaïque : un très, très grand nombre de petites et très petites installations produiront et injecteront de l'électricité. Lorsque le soleil brille fortement, on produit beaucoup d'électricité, lorsque le soleil ne brille pas ou peu, on en produit proportionnellement moins. La ville solaire est donc fortement dépendante des conditions météorologiques pour la production d'électricité.
En revanche, l'utilisation de l'électricité solaire produite ne l'est pas, elle a toujours lieu, quel que soit le temps. Pour combler cet écart, c'est-à-dire la différence temporelle entre la production et l'utilisation de l'électricité, des systèmes de stockage sont utilisés.
Le stockage de l'électricité est nécessaire dans la Smart City
Le soleil ne brille pas toujours. Les panneaux photovoltaïques produisent certes de l'électricité même lorsque le ciel est nuageux, mais la nuit, ils ne contribuent définitivement pas à l'approvisionnement en énergie. Pour assurer la consommation pendant ces périodes, la Smart City disposera de nombreux accumulateurs d'électricité. Reste à savoir si ce seront tous des accumulateurs lithium-ion, qui sont déjà mis en service par dizaines de milliers chaque année. Les scientifiques et les ingénieurs du monde entier travaillent sur des concepts permettant de résoudre le problème du stockage de manière économique et en préservant au mieux les ressources : sel chauffé, production d'hydrogène (Power-to-Gas), stockage d'énergie en position, stockage d'air comprimé et bien d'autres choses encore.
L'avenir nous dira quels systèmes peuvent être intégrés de manière judicieuse dans l'espace urbain. Toutefois, le fait que chaque cave d'immeuble contienne des accumulateurs est un scénario réaliste, du moins dans un avenir proche.
Cas particulier de la mobilité
Les villes consacrent une part considérable de leurs ressources aux besoins de mobilité de leurs habitants. La Smart City de demain disposera pour cela de transports publics fortement électrifiés. Le transport individuel avec des voitures privées sera encore plus réduit.
Toutefois, la possession de voitures électriques privées offre également des opportunités. En effet, les voitures électriques de la prochaine génération, qui sont de toute façon les seules à avoir un avenir dans les villes, rempliront deux fonctions : Elles produisent de l'électricité et elles stockent de l'électricité. La surface d'une voiture est certes limitée, mais suffisamment grande pour installer des modules PV sur le toit et les côtés. Ceux-ci sont bien entendu sûrs pour la circulation. Mais ce qui est plus intéressant pour l'écosystème énergétique d'une ville, ce sont les accumulateurs qui, dans les voitures électriques, stockent l'énergie nécessaire à la propulsion. Qui se chargent de préférence lorsque le soleil tape dans le ciel.
Mais les accumulateurs pourraient également fournir l'électricité non utilisée par les voitures lorsque le réseau électrique en a un besoin urgent. Ces deux scénarios sont réalisables avec les voitures électriques si les utilisateurs se comportent en conséquence.
Cela est possible si le comportement adapté aux fluctuations du marché de l'énergie est récompensé. Lorsque le soleil tape dans le ciel, l'électricité est abondante. Le prix de l'électricité baisse. Une bonne motivation pour les conducteurs de voitures électriques de brancher leur véhicule à ce moment-là pour le recharger. Lorsque le prix de l'électricité augmente parce qu'il fait nuit et que les installations ne produisent pas assez, il y a une incitation financière à mettre à disposition du réseau l'électricité qui n'est pas nécessaire à ce moment-là. Les voitures électriques sont en principe des accumulateurs motorisés qui stabilisent le système énergétique de la Smart City.
Les citadins utilisent l'énergie de manière flexible
Comme pour les voitures électriques, il est souhaitable que les citadins adaptent leur utilisation de l'énergie à la situation du système énergétique. Le principe est clair : utiliser l'électricité quand il y a beaucoup d'électricité et inversement.
Par exemple, faire tourner la machine à laver à midi, lorsque le soleil est au zénith et que l'abondance d'électricité dans le système fait chuter les prix. En revanche, consommer de l'électricité au milieu de la nuit coûtera plus cher. Les coûteux systèmes d'accumulateurs qui fournissent l'électricité la nuit doivent être refinancés.
Ainsi, les systèmes d'incitation financière, qui se déroulent sous forme numérique et opèrent en temps réel sur le marché de l'électricité du jour, garantissent un comportement adapté.
Le réseau électrique est numérique
La Smart City dispose d'un système énergétique transparent et contrôlé numériquement. Pour intégrer tous les producteurs, tous les consommateurs, toutes les capacités de stockage et l'influence de la météo dans un système judicieux et coordonné, il est nécessaire de recourir à des technologies de l'information étendues. La surveillance et le contrôle des installations solaires y jouent un rôle prépondérant.
Les données en temps réel sont comparées aux séries de données historiques afin de développer des prévisions fiables. Les fournisseurs d'énergie en déduiront à l'avenir des signaux de marché afin d'influencer le comportement des utilisateurs.
Sans les technologies de l'information, la Smart City ne fonctionnera pas, car le marché de l'électricité, qui était jusqu'à présent plutôt statique avec des tarifs éternellement valables, devient désormais un organisme de marché beaucoup plus dynamique auquel presque chaque habitant de la ville participe. L'informatique est fondamentale pour cela. Les données du marché en sont la base.