Selon les statistiques, 40% de la consommation d’énergie en Europe provient du secteur du bâtiment. En France, ce secteur représente 44% de l’énergie consommée et émet plus de 123 millions de tonnes de CO2. Ces chiffres ont poussé la Commission Européenne à créer de nouvelles directives visant à améliorer l’efficacité énergétique des bâtiments (EBPD), en introduisant le concept de NZEB ou Nearly Zero-Energy Buildings.
Depuis 2021, tous les nouveaux bâtiments doivent être construits en tenant compte de la durabilité, avec une exigence particulière pour les bâtiments publics depuis 2019. Cependant, malgré l’ambition du cadre législatif de la Commission Européenne, la définition des bâtiments à énergie quasi nulle (NZEB) varie d’un pays européen à l’autre. En décembre 2021, la Commission a également proposé une révision de la directive en vue de transformer les bâtiments actuels à énergie quasi nulle (NZEB) en bâtiments à émissions nulles (ZEB pour Zero-Emission Building en anglais).
Quatre catégories, définies au niveau national par des experts, peuvent en effet être retenues pour qualifier une construction de bâtiment NZEB :
- Bâtiments à énergie nette zéro / Bâtiments à énergie positive (dit BEPOS).
- Bâtiments à énergie quasi nulle selon les définitions nationales (Quasi Zéro Energie ou Q-ZEN).
- Bâtiments dont la performance énergétique est supérieure aux exigences nationales en 2012.
- Bâtiments construits/rénovés selon les exigences minimales nationales en 2012.
Dans cet article, nous souhaitons apporter quelques éléments d’informations sur la quantité d’énergie photovoltaïque dont un bâtiment a besoin pour devenir NZEB. Nous nous appuierons sur 3 exemples réels afin de mieux comprendre comment mesurer cette donnée.
Dans le cadre de notre étude de cas, nous considérerons un NZEB comme un bâtiment à énergie nette zéro, c’est-à-dire un bâtiment dont la consommation d’énergie est nulle. Cela signifie que la quantité totale d’énergie consommée par le bâtiment sur une base annuelle est égale à la quantité d’énergie renouvelable produite sur place.
Le fait que le calcul soit effectué sur une base annuelle est très important. En effet, il est possible de compenser une plus faible production d’énergie renouvelable en hiver par la production en été si celle-ci est plus élevée. Cela implique également que si le bâtiment est connecté au réseau, il n’a donc pas besoin de l’installation sur place d’un système de stockage de l’énergie.
6 Raisons de Soutenir les Modèles de Construction NZEB
Les avantages de la construction ou de la rénovation d’un bâtiment selon la définition NZEB sont d’ordre économiques et écologiques :
- Leur consommation d’énergie est plus faible, ce qui réduit les coûts d’exploitation.
- Ils ont une plus grande indépendance vis-à-vis du réseau électrique, ce qui réduit l’impact de l’augmentation des prix de l’électricité.
- Ils peuvent générer des revenus grâce à la vente du surplus d’électricité.
- La réduction de la demande d’électricité en période de pointe entraîne une baisse de leur coût d’électricité.
- Les émissions de carbone du bâtiment sont réduites.
- L’interaction entre le bâtiment et le réseau électrique est meilleure.
Mais rénover ou construire un bâtiment dans le respect de la norme NZEB implique de travailler sur deux fronts :
- Réduire la consommation d’électricité du bâtiment
- Installer des systèmes d’énergie renouvelable sur place
Il existe de nombreuses façons de réduire la consommation d’énergie dans les bâtiments. Mais la production de l’énergie renouvelable est principalement rendue possible par l’installation d’un système photovoltaïque sur le site, placé dans la plupart des cas sur le toit du bâtiment.
À leurs débuts, les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments étaient dimensionnés pour maximiser la production d’électricité sur place. Toutefois, l’échange d’énergie entre le bâtiment et le réseau électrique est de plus en plus souvent pris en compte lors du dimensionnement d’un système PV.
Les fluctuations de la production des énergies renouvelables peuvent constituer un défi pour le réseau électrique qui cherche à équilibrer en permanence la production et la consommation d’énergie. Cela pourrait expliquer pourquoi la plupart des incitations financières pour l’installation de systèmes photovoltaïques encouragent progressivement l’autoconsommation d’énergie au lieu de mettre l’accent sur la maximisation de la production d’énergie. Dans les faits, le tarif de rachat de l’électricité photovoltaïque produite ne cesse de diminuer alors que le tarif du réseau électrique ne cesse d’augmenter.
Mais à quoi ressemble un bâtiment NZEB ? Quelle est la quantité de panneaux photovoltaïques nécessaire pour compenser la consommation d’énergie annuelle d’un bâtiment ? Et d’un point de vue plus global, comment le réseau énergétique et le bâtiment interagissent-ils tout au long de l’année ?
Pour répondre à ces questions, nous examinerons trois études de cas générées grâce au module Building Energy Modelling (BEM) de Spacewell Energy (Dexma), un module visant à générer des profils de charges synthétiques (mais réalistes) de consommation et de production d’énergie d’un bâtiment.
Étude de Cas – Consommation d’Énergie dans un Immeuble de Bureaux à Madrid
Trois profils de bâtiments ont pu être identifiés grâce au BEM : un bâtiment dont la production d’énergie solaire photovoltaïque n’est pas maximisée, un bâtiment dont la production est maximisée et un autre dont la production est optimisée.
Le bâtiment modélisé est un édifice sur cinq étages (un rez-de-chaussée et quatre étages) situé à Madrid, dont l’enveloppe thermique correspond à un bâtiment construit récemment. Il est équipé d’une pompe à chaleur pour le chauffage, d’un refroidisseur d’air et d’un ballon électrique de production d’eau chaude sanitaire.
D’un point de vue énergétique, le bâtiment dépend uniquement de l’électricité. Il est enfin ventilé grâce à un système de ventilation avec récupération de chaleur. Aucun appareil énergivore comme des centres de données n’a été pris en compte dans l’analyse.
Le graphique suivant montre la consommation moyenne horaire pour chaque mois de l’année grâce à une carte de chaleur. Nous remarquons que la consommation minimale (bleu foncé) se produit pendant les périodes de non-activité, lorsque le bâtiment est fermé (la nuit).
La consommation maximale quant à elle a lieu de 14 à 17h en été, lorsque le rayonnement solaire, le taux d’occupation du bâtiment et la température extérieure sont les plus élevés. L’écart d’1h sur la période entre avril et octobre est dû au décalage horaire (CET à CEST).
Dans la comparaison suivante, nous allons examiner les échanges d’énergie entre le bâtiment et le réseau électrique.
Les zones rougeâtres représentent les heures où l’énergie est consommée par le réseau, tandis que les zones bleues représentent les heures où l’électricité est injectée dans le réseau grâce au système PV. Les zones blanches représentent les heures où la production d’électricité du bâtiment compense la demande d’électricité du bâtiment.
Cas nº1 : Immeuble sans système PV de production d’électricité sur place
Observons d’abord cet immeuble sans système PV de production d’énergie renouvelable, typique des bâtiments construits il y a deux décennies.
Nous voyons que le bâtiment dépend uniquement du réseau pour son approvisionnement en énergie, ce qui n’est pas surprenant étant donné l’absence de système photovoltaïque.
Cas nº2 : Immeuble avec Système PV de Production d’Électricité Maximisé
Pour ce cas, nous allons maximiser la surface PV sur le toit. Pour notre hypothèse de calcul, nous considérons que la surface PV peut représenter jusqu’à 80% de la surface du toit.
Compte tenu que la production d’énergie du bâtiment est nettement supérieure à sa consommation, celui-ci a franchi une étape de plus vers le Zéro Énergie (NZEB) et pourrait déjà entrer dans la catégorie des bâtiments à Énergie Positive (BEPOS).
Dans les faits, le bâtiment produit 27% d’énergie de plus qu’il n’en consomme. Ce résultat est obtenu grâce au rendement énergétique élevé du système photovoltaïque en été, la consommation d’énergie étant supérieure à la production sur la période hivernale.
Cas nº3 : Immeuble avec Système PV de Production d’Électricité Optimisé
Pour ce dernier exemple, nous allons réduire la surface PV maximale de 27% (58% du toit couvert) pour compenser la consommation électrique totale annuelle sans chercher à produire de l’électricité supplémentaire.
En tant que bâtiment NZEB, son impact sur le réseau électrique sera probablement moindre en été puisqu’il ne le “surchargera” pas en période où la demande d’électricité du réseau est faible.
Dans les pays qui favorisent l’autoconsommation par leurs incitations financières, ce type de dimensionnement peut également être plus rentable que celui du scénario envisagé pour la surface PV maximisée grâce à son ratio d’autoconsommation d’énergie solaire qui est plus élevé.
Comment Transformer mon Bâtiment en NZEB ?
D’une part, certaines améliorations contribuent à réduire la demande énergétique des bâtiments, comme par exemple :
- L’amélioration de la structure du bâtiment (réduction du coefficient thermique Uw des fenêtres, meilleure isolation, amélioration de la protection solaire),
- L’amélioration des charges énergétiques (technologie d’éclairage),
- Et l’amélioration des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (rendements plus élevés, temps de fonctionnement réduit, récupération de chaleur et refroidissement naturel).
D’autre part, la production d’énergie des systèmes photovoltaïques dépend principalement du climat local (rayonnement solaire) et du taux de couverture PV des surfaces.
Compte tenu de la variété des facteurs qui jouent à la fois sur la demande et la production d’énergie, trouver la bonne formule pour équilibrer demande/production de manière rentable peut être un véritable défi.
C’est pourquoi la plateforme Spacewell Energy (Dexma) propose une solution pour trouver des réponses appropriées grâce à son module Detect. Celui-ci a été conçu pour identifier les opportunités de rénovation énergétique et les systèmes énergétiques les plus rentables et ce, pour une grande variété de bâtiments, en se basant sur la mesure de leur consommation d’énergie.
Detect calcule et dimensionne sur mesure les futures installations photovoltaïques de vos toits en quelques minutes :
La fonction de micro-réseau intégrée à Analyse permettra de contrôler la production d’énergie renouvelable et la consommation d’énergie de votre bâtiment, une fonction qui vous aidera à atteindre vos objectifs “quasi zéro énergie” NZEB. (Si vous souhaitez en savoir plus sur les microgrids et comment les gérer à partir de la plateforme, visionnez ce Webinaire).
Note de la Rédaction – Cet article a été rédigé par 2 experts en matière de logiciels de gestion de l’énergie :
Johann Loux, Ancien Ingénieur en Simulation Thermique Dynamique et Data Scientist, a fait partie de l’équipe Spacewell Energy (Dexma) entre 2021 et 2023. Son objectif a été d’améliorer les algorithmes d’IA de Spacewell Energy (Dexma) par la création automatisée de modèles de simulation thermique et énergétique.
Il a également apporté son expertise dans le domaine de l’efficacité énergétique pour le développement des produits de Spacewell Energy.
Daniel Utges, Ancien Directeur de Produit chez Spacewell Energy. Daniel a commencé comme Ingénieur Produit, en passant par Responsable du Service Clients, pour devenir Directeur de Produit en 2013.
