Modelisation, Ville & Changement climatique

Résumé du projet

Colette Marchadier — 2010-05-10T09:17:47Z

Parmi les nombreuses problématiques concernant le « système ville », MUSCADE propose d'aborder l'énergie, la structure de la ville, et le changement climatique. Ces trois thèmes sont intimement liés, à la fois à l'échelle globale et locale : l'énergie utilisée par les villes est la source majeure des rejets anthropiques de gaz à effet de serre, qui sont la cause du réchauffement climatique global ; cette tendance globale est accentuée, à l'échelle locale, par la formation d'îlots de chaleur urbains influencés par la morphologie et la croissance des villes.
Dans les contextes mondial des accords de Kyoto, européen du récent « Paquet Energie Climat », et national du Grenelle de l'environnement, les décideurs urbains sont ainsi confrontés à des questions concrètes : Quel sera le climat d'une ville en expansion soumise au changement climatique ? Sa demande énergétique pour assurer le confort thermique des habitants hiver comme été ? Ses émissions de CO2 ? Comment déployer en ville une production décentralisée d'énergies renouvelables ? Comment adapter la structure urbaine ?

Pour apporter des éléments de réponses, on étudiera le cas de l'agglomération parisienne, et on se placera à l'échelle du siècle, pour tenir compte de l'inertie d'évolution de la structure urbaine et du changement climatique. On construira d'abord un jeu de scénarios combinant hypothèses climatiques, macroéconomiques (prix de l'énergie, croissance, démographie), évolutions du domaine urbain, techniques de bâti, et production d'énergie décentralisée. A partir d'une approche systémique de la ville, on étudiera les processus clés décrivant le comportement de différents éléments (bâti, îlot, ville) et leurs interactions à l'aide d'outils de modélisation numérique.

L'évolution de la ville à l'échelle du siècle sera modélisée par le modèle de socio économie urbaine NEDUM du CIRED, représentant les mécanismes sous-jacents à la dynamique d'un système urbain. Contrairement à d'autres modèles, comme TRANUS, très détaillés et adaptés à une projection à quelques décennies, NEDUM se base sur des principes économiques fondamentaux qui resteront valables sur le très long terme (2100). La ville y est représentée idéalisée et simplifiée ; La version 2D développée dans ce projet se rapprochera de la ville réelle, en intégrant une densité spatialisée des activités dans l'ensemble de la ville. Le modèle sera validé à partir d'une analyse, réalisée par ESO, de l'expansion de Paris sur les dernières décennies.

Pour les processus physiques, on s'appuiera tout d'abord sur un modèle zonal d'étude paramétrique du bilan énergétique du bâtiment (chauffage, climatisation, ventilation, apports solaires). Ce modèle sera intégré dans la plateforme SALOME par le CSTB pour l'appliquer à différentes configurations de bâtiments. Puis on utilisera la plateforme de modélisation SIG MORPHOLOGIC du LRA-GRECAU pour étudier l'influence de la morphologie d'un îlot sur les paramètres énergétiques, et les relations entre production d'énergie locale et paramètres microclimatiques.

Enfin, ces études permettront d'améliorer TEB, le modèle de microclimat urbain et échanges d'énergie entre ville et atmosphère du GAME (prise en compte des vitrages, façades et toitures végétalisées, orientation des rues et couplage entre microclimat et production décentralisée d'énergie). TEB permettra de réaliser des intégrations à l'échelle du siècle pour répondre aux problématiques de l'énergie dans la ville et du changement climatique. On développera, à partir des modèles de climat du GIEC, une méthode originale de reconstruction de la structure spatiale de l'îlot de chaleur à l'échelle de l'agglomération, en interaction avec TEB.

Au final les outils développés simuleront, de nos jours à 2100, l'expansion de l'agglomération parisienne, la consommation d'énergie liée au bâti, la production décentralisée d'énergie et la répartition des différents types d'énergie, la fréquence d'événements inconfortables, et les émissions de CO2. Seront aussi simulés certains aspects socio-économiques (accessibilité au logement, durée et dépenses de transport, capital productif), afin d'identifier des stratégies d'adaptation durables de la ville au changement climatique.

Si le projet se concentre sur l'énergétique liée au bâti, qui représente 44% de la consommation d'énergie finale totale actuelle, d'autres paramètres (énergies et émissions liées au transport, cout de mise en œuvre des stratégies d'adaptation) seront estimés pour établir le domaine de validité de l'étude.

La finalité du projet MUSCADE est de sensibiliser et proposer une base de réflexion, à partir de l'exemple de l'aire urbaine parisienne, aussi bien pour le monde scientifique que pour des décideurs, et permettre d'identifier des leviers d'action pour éclairer des choix futurs en termes de réglementation du bâti, modes de production d'énergie décentralisée et aménagement urbain.

Partenariat

Colette Marchadier — 2010-05-05T05:57:55Z

Au vu de l'interdisciplinarité de la problématique abordée dans ce projet, le consortium de recherche doit prendre en compte les différentes composantes de cette problématique. C'est pourquoi sont inclus dans ce projet des partenaires issus de domaines de recherche différents, aux compétences complémentaires :

GAME - Coordinateur du projet

Deux groupes de recherche sont impliqués dans ce projet :

– Une équipe du GMME (Groupe de Météorologie Moyenne Echelle) qui développe un modèle de climat urbain reconnu et utilisé par différents groupes internationaux. Elle a également organisé plusieurs campagnes de mesures en milieu urbain (CAPITOUL à Toulouse, et ESCOMPTE à Marseille). Cette équipe apporte ses compétences pour la modélisation du climat urbain (brevet français : Masson 1999, et une quinzaine de publications sur le sujet dans des revues scientifiques depuis 2000) et l'évaluation de la demande en énergie des villes.

– Une équipe du GMGEC (Groupe de Météorologie de Grande Echelle et Climat) qui travaille sur le développement de modèles globaux et régionaux de climat (ARPEGE-Climat et ALADIN-Climat). Cette équipe sera largement impliquée dans la construction de scénarios de climats futurs. Cette équipe a participé à la rédaction du 4ème rapport du GIEC sur le changement climatique, et à ce titre a reçu avec Al Gore et d'autres scientifiques de par le monde, le prix Nobel de la Paix 2007 par destination.

CIRED

L'équipe du CIRED travaille au développement d'un modèle économique urbain permettant de simuler l'évolution continue de villes (prenant en compte les aspects structurels, et les conséquences socio-économiques). Il sera utilisé dans le projet pour créer les scénarios à long terme d'évolution des villes. Il présente l'avantage d'être le seul modèle aujourd'hui publié capable de simuler les effets de transition d'une structure de ville à une autre. En outre, le CIRED a une longue expérience en gestion de projets interdisciplinaires incluant des partenaires issus des sciences dures et sociales.

CSTB

Les champs de compétence de ce groupe couvrent l'étude des caractéristiques des bâtiments, l'ingénierie des bâtiments, le design présent et futur des bâtiments, la construction, la maintenance et les conditions d'exploitation qui sont susceptibles de changer afin d'adapter le milieu bâti aux nouvelles conditions climatiques. Dans le cadre du projet, l'équipe travaillera d'une part sur les aspects énergétiques du bâtiment, ainsi que sur les stratégies d'adaptation concernant la constitution du bâti.

LIENs

Cette unité de recherche en géographie sociale aborde la problématique de géographie sociale et spatiale selon deux thématiques qui sont (a) les dynamiques sociales, et (b) les productions sociales du spatial et les recompositions territoriales. Elle s'intéresse notamment aux régulations relatives à la maîtrise des espaces et pose la question de la compatibilité entre durabilité et développement dés lors que celui-ci est associé à la croissance. Dans le cadre du projet, l'équipe apporte ses compétence pour la caractérisation de l'étalement urbain des années 70 à nos jours et la modification du tissu urbain à travers l'analyse d'images satellites et de données très haute résolution.

LRA-GRECAU

Le Laboratoire de Recherche Architecturale (LRA), membre du PRES Toulouse, regroupe l'ensemble du pôle de recherche de l'ENSA Toulouse, soit une équipe d'environ une quarantaine d'enseignants-chercheurs ou chercheurs. A l'intérieur du LRA, la composante LRA-GRECAU est un laboratoire habilité par le Bureau de la Recherche Architecturale et Urbaine (DAPA/MCC), créé en 1982 (sous le nom de LAB pour Laboratoire d'Architecture Bioclimatique). La problématique originelle du laboratoire, fondée essentiellement sur la gestion de la ressource énergétique à travers l'architecture solaire et bioclimatique, a aujourd'hui évolué vers une problématique plus globale liée à l'étude des relations entre le milieu construit et son environnement. Elle s'applique notamment au développement urbain durable. Le LRA-GRECAU travaille ainsi depuis une douzaine d'années sur la caractérisation du lien entre morphologie architecturale et urbaine, consommation énergétique et impacts climatiques et environnementaux.
Dans le cadre de ce projet, le LRA-GRECAU apporte ses compétences en matière de production d'énergie décentralisée, de prospective d'évolution de la construction et de la ville et d'analyse de la morphologie urbaine à l'échelle intermédiaire du quartier.

L'IAU

L'IAU île-de-France est un bureau d'études qui a pour mission essentielle de réaliser les études et travaux nécessaires à la prise de décision des élus du Conseil régional d'Île-de-France.

L'APUR

L'Atelier parisien d'urbanisme, l'agence d'urbanisme de Paris, a pour mission de suivre les évolutions urbaines, de participer à la définition des politiques d'aménagement et de développement, à l'élaboration des orientations de la politique urbaine et des documents d'urbanisme, ainsi qu'à la préparation des projets à l'échelle de Paris, de son aire urbaine ou de tout ou partie de la région Ile-de-France.

L'APUR étudie les consommations d'énergies et émissions de gaz à effet de serre des bâtiments parisiens, et participe à la mise en œuvre de solutions pratiques dans les bâtiments dans le cadre de l'objectif global du « facteur 4 ». Ces travaux supposent la prise en compte de la question de l'adaptation du territoire parisien au changement climatique.

Dans le cadre du projet, l'APUR apportera d'une part un soutien technique, consistant en la fourniture de données sur l'agglomération parisienne, nécessaires aux simulations du climat urbain, et d'autre part son expertise, dans le cadre de la modélisation du bâti parisien, sur les hypothèses retenues et en particulier les consommations d'énergie.

Objectifs

Colette Marchadier — 2010-05-05T05:57:50Z

Le projet MUSCADE propose d'aborder les questions de l'énergie du bâti et du changement climatique à l'échelle de la ville.

L'objectif scientifique est d'étudier, de nos jours à 2100, les interactions entre structure de ville, procédés constructifs, consommation d'énergie, production d'énergie décentralisée, micro climat urbain, et changement climatique.

Pour ce faire, l'accent sera porté sur une approche systémique, traitant un vaste champ de processus urbains et leurs interactions, et s'appuyant sur des outils de modélisation numérique adaptés à chaque sous-système.

Le « système ville » sera constitué progressivement, à partir des éléments intervenants dans les processus liés à l'énergie :

– il s'agit tout d'abord du bâtiment, avec ses différents matériaux et procédés constructifs, sa consommation d'énergie mais aussi ses potentiels de production d'énergie ;

– puis l'îlot, formé de plusieurs bâtiments selon un agencement défini par les règles d'urbanisme, et porteur également de contraintes et opportunités en terme de bilan énergétique ;

– enfin la ville, constituée d'ilots types, mais également soumise à une expansion, de type socio-économique, dont la densité par exemple peut influer la question énergétique et l'ilot de chaleur urbain.

L'objectif technique du projet est de développer un modèle numérique d'expansion urbaine, de simulation du climat urbain et de simulation du couple offre-demande énergétique du bâti à l'échelle urbaine, appliqué ici à l'aire urbaine de Paris.

Le modèle sera alimenté par des scénarios combinés de climat, d'évolution urbaine, d'aménagements urbains, de types et de technologies du bâti, et de types de production d'énergie.

Ce modèle permettra de simuler différents paramètres, d'étudier leur sensibilité et quantifier les incertitudes. Les principaux résultats, pour chaque scénario étudié, concerneront :
– La consommation d'énergie liée au chauffage et climatisation dans le bâti
– La production décentralisée d'énergie et la répartition des différents types d'énergie
– L'îlot de chaleur urbain
– Les émissions de gaz à effet de serre.

L'approche utilisée, qui permet de prendre en compte tous ces paramètres, a aussi simplifié le « système ville » afin de le restreindre à un nombre de données exploitables. Il sera donc essentiel d'avoir une estimation, à partir des scénarios et du modèle, des paramètres non simulés de façon précise , afin définir les limites de validité des modèles et pondérer les résultats obtenus. On peut citer le coût des scénarios, l'énergie liée au transport (dont l'estimation proviendra du modèle socio-économique d'expansion urbaine), à l'éclairage, la quantité d'eau nécessaire aux murs ou toits végétalisés, l'énergie grise, …

Programme de travail

Colette Marchadier — 2010-05-05T05:57:45Z

Les grandes étapes du projet

Le projet s'articule autour des différents éléments identifiés par l'approche systémique (production d'énergie, bâtiment, îlot, ville et climat), mais également autour de l'objectif principal du projet, qui consiste à s'appuyer sur des modèles pour étudier les interactions entre différents processus, à l'échelle du XXIème siècle.

Le projet a été structuré en 4 grandes étapes scientifiques : une tâche commune de construction de scénarios, deux tâches de développement ou amélioration de modèles, puis une dernière tâche commune de simulation intégrée.

– Tout d'abord, la première tâche (1) consiste à élaborer des scénarios, de nos jours à 2100, par pas de 10 à 20 ans. Cette tâche produira plusieurs scénarios combinés, qui serviront d'entrée pour les modèles (climat, bilan énergétique, morphologie et expansion urbaine) ou pour les études (production d'énergie décentralisée). Cette étape, fortement interdisciplinaire, mobilisera la quasi totalité des partenaires en début de projet.

– Ensuite, les modèles de physique (tâche 2) et de SHS (tâche 3) font l'objet de 2 étapes distinctes, pour des questions de cohérence d'équipe. Dans la tâche 2, les études de production d'énergie, de bilan énergétique et de morphologie urbaine permettront de calibrer le modèle TEB. Les trois partenaires impliqués (LRA-GRECAU, CSTB et GAME) devront proposer un modèle TEB amélioré et approprié pour les simulations d'énergie et climat urbain de la tâche 4.

– Le modèle 2D d'expansion urbaine sera développé et validé en tâche 3 ; le CIRED s'appuiera sur les données fournies par ESO pour la validation du modèle. Puis des simulations seront réalisées, à partir des scénarios de la tâche 1, afin de produire, à l'horizon du siècle, les différentes structures de ville qui seront utilisées pour la simulation intégrée en tâche 4.

– Enfin, la tâche 4 va produire les derniers éléments nécessaires à la simulation (construction de l'îlot de chaleur à partir des scénarios de la tâche 1, et estimation d'autres paramètres à partir des simulations d'expansion urbaine), puis utiliser les livrables des tâches 2 et 3 pour réaliser une simulation qui intègre expansion urbaine, climat et questions énergétiques. Le GAME intègrera donc, à travers TEB, l'ensemble des résultats ou des développements de toutes les tâches. La dernière étape du projet consiste en l'interprétation scientifique, par l'ensemble des partenaires, des résultats obtenus, afin de proposer des scénarios pertinents qui constituent une adaptation de la ville au changement climatique.

– La tâche 0 de coordination de projet servira de support à l'ensemble des partenaires tout au long du projet et permettra de structurer et piloter l'ensemble des tâches scientifiques.

Télécharger l'organigramme détaillée des tâches

Planning des tâches sur les 3 années du projet

planning du projet MUSCADE

Présentation générale

Colette Marchadier — 2010-04-28T13:49:57Z

Le projet MUSCADE vise à étudier, de nos jours à 2100, les interactions entre structure de ville, procédés constructifs, consommation d'énergie, production d'énergie décentralisée, micro climat urbain, et changement climatique.

Les villes sont particulièrement concernées par le changement climatique :

L'énergie utilisée par les villes est la source majeure des rejets anthropiques de gaz à effet de serre, qui sont la cause du réchauffement climatique global ; cette tendance globale est accentuée, à l'échelle locale, par la formation d'îlots de chaleur urbains influencés par la morphologie et la croissance des villes.

Villes & climat évoluent

La croissance urbaine constitue aujourd'hui un défi majeur pour l'humanité, puisque la population urbaine vient de franchir le cap des 50% de la population totale de la planète (environ 80% dans les pays développés).

D'après le 4ème rapport du GIEC (IPCC 2007a), le réchauffement climatique observé perdurera et sera significatif à l'horizon 2070. Hallegatte et al. (2007) montre que d'après certaines simulations climatiques (en scénario A2), Paris connaîtrait le climat de Cordoue en 2100.

Les logements consommateurs d 'énergie

44% de la consommation énergétique finale française est due au parc de bâtiments résidentiels et tertiaires français (2007, source MEEDDAT/OE), et les émissions de CO2 associées représentent 24,1% des émissions françaises.

Afin de limiter le réchauffement climatique, le protocole de Kyoto planifie les objectifs de réduction d'émission de GES jusqu'en 2012. En France, des objectifs phares du Grenelle de l'environnement concernent directement les domaines des bâtiments et de l'énergie.

MUSCADE vise à apporter des éléments de réponse à des questions concrètes :

– Quel sera le climat d'une ville en expansion soumise au changement climatique ?
– Quelle sera sa demande énergétique pour assurer le confort thermique des habitants hiver comme été ? Ses émissions de CO2 ?
– Comment déployer en ville une production décentralisée d'énergies renouvelables ?
– Comment adapter la structure urbaine ?

Le projet MUSCADE s'inscrit au cœur de trois sujets vifs de la problématique de la ville durable : le changement climatique, l'énergie dans les villes et l'expansion des villes. Il vise à en étudier les interactions, de nos jours à 2100.

La méthodologie de MUSCADE

Des échelles appropriées

Les constantes de temps propres au changement climatique et à l'évolution des villes obligent à choisir l'échelle du siècle pour répondre à la question de la durabilité de la ville face à un climat en transition. L'agglomération parisienne sera choisie comme cas d'étude, mais les méthodes, basées sur des lois et principes généraux d'échanges économiques ou physiques, seront applicables pour d'autres villes.

Une approche systémique pour un modèle numérique

Le « système ville » sera constitué progressivement, à partir des éléments intervenants dans les processus liés à l'énergie. Cette approche permettra de développer un modèle numérique d'expansion urbaine, de simulation du climat urbain et de simulation du couple offre-demande énergétique du bâti à l'échelle urbaine, appliqué ici à l'aire urbaine de Paris.

Des scénarios contrastés et cohérents, d'aujourd'hui à 2100

Pour alimenter le modèle, on construira un jeu de scénarios combinant hypothèses climatiques (basées sur les scénarios du GIEC), macroéconomiques (prix de l'énergie, croissance, démographie), évolutions du domaine urbain (ville étendue, compacte, « verte »), techniques de bâti (performances énergétiques, règlementations), et production d'énergie décentralisée (technologies, choix d'implantation).

Un modèle socioéconomique d'expansion urbaine

Le modèle NEDUM, développé au CIRED, est conçu pour reproduire les mécanismes sous-jacents à la dynamique d'un système urbain. Des extensions et modifications importantes seront développées, afin de décrire une densité spatialisée des activités dans l'ensemble de la ville, et intégrer une dépendance en fonction des deux dimensions de l'espace urbain. Une analyse de l'étalement de la tache urbaine parisienne des années 70 jusqu'à nos jours permettra de valider les résultats de simulations réalisées par NEDUM-2D.

Vers la « ville à énergie positive » ?

Au travers des scénarios et simulations, le projet mettra en perspective la consommation énergétique de la ville et ses capacités de production d'énergies locales et renouvelables. Les technologies de production décentralisées et les choix d'implantation seront abordés, à l'échelle du bâtiment et du quartier, et intégrées dans TEB.

Des pistes de stratégies d'adaptation au changement climatique

Les principaux résultats de simulation, pour chaque scénario étudié, concerneront :
– La consommation d'énergie liée au chauffage et climatisation dans le bâti
– La demande et la production décentralisée d'énergie, et la répartition des différents types d'énergie
– L'îlot de chaleur urbain
– Les émissions de gaz à effet de serre.

Ainsi, l'analyse de ces paramètres (en terme de gain environnemental, coût socio-économique, …) permettra d'identifier, parmi tous les scénarios étudiés, les plus pertinents et les plus réalistes, qui constituent une possible stratégie d'adaptation au changement climatique.

Télécharger la plaquette de présentation de MUSCADE