Quelle source d’énergie pour alimenter nos Smart Cities du futur ? L’énergie solaire photovoltaïque est aujourd’hui une des énergies renouvelables les plus matures et compétitives. Elle pourrait jouer le rôle de poumon de la ville du futur en s’intégrant à chaque niveau urbain. A la clef : une énergie urbaine flexible et pilotable pour s’adapter aux besoins des habitants.

Les Smart Cities en quelques mots

La ville intelligente ou « Smart City » est souvent définie comme une ville exploitant les nouvelles technologies pour optimiser la gestion des ressources, des données, et des transports. Mais la Smart City implique également une économie et une gouvernance durable et ne se réduit pas aux technologies connectées. L’imaginaire collectif associe néanmoins à raison le « Smart » et les nouvelles technologies. En effet, celles-ci, associées à la gestion de grandes quantités de données, sont une des clefs de l’utilisation plus durable des ressources.  L’objectif final de la Smart City est de satisfaire les besoins des habitants. Pour cela, elle fait appel à la data et aux nouvelles technologies pour relier des leviers d’action comme l’environnement, l’économie ou les ressources.

Où situer l’énergie solaire photovoltaïque au sein de la Smart City ? A quelle échelle la retrouve-t-on et quel serait son rôle dans la ville intelligente ?

Le solaire photovoltaïque : une source d’énergie durable à toutes les échelles de la ville

La gestion durable des ressources, notamment l’énergie est clef dans les Smart Cities. L’énergie solaire photovoltaïque devient aujourd’hui compétitive à l’échelle du réseau. Encore trop chère lorsqu’elle est vendue sur le marché de gros de l’électricité par rapport à d’autres sources, elle devient équivalente une fois les taxes et les coûts réseaux ajoutés. Par suite, l’autoconsommation se développe (possibilité de commencer directement l’électricité produite localement) car l’électricité produite par l’installation solaire devient compétitive vis-à-vis de l’électricité soutirée au réseau. On multiplie alors les possibilités d’intégrer l’énergie solaire photovoltaïque à différentes échelles de la ville.

Considérons trois échelles : la ville (ou quartier), le bâtiment (ou infrastructure) et l’individu.

A l’échelle de la ville ou du quartier, on distingue généralement différents types d’installation photovoltaïque : des centrales au sol ou des centrales en toiture. La ville de Babcock Ranch aux Etats-Unis a par exemple été conçue pour être à énergie positive : à l’aide d’une centrale au sol et de centrales en toiture, la ville devrait produire au global plus qu’elle ne consomme. Au sein du démonstrateur NiceGrid, tout un quartier dispose d’une production photovoltaïque stockable. Le quartier peut être « iloté », c’est-à-dire isolé du reste du réseau en cas de défaillance. Citons également la route solaire d’un kilomètre tout juste inaugurée en Normandie : elle suscite des réserves sur sa rentabilité mais n’en reste pas moins innovante.

A l’échelle du bâtiment, des projets de taille différente illustrent la souplesse du solaire photovoltaïque : il s’adapte aux dimensions des bâtiments et s’intègre facilement aux zones urbaines. A Lyon, trois bâtiments de l’éco-quartier Lyon Confluence, dénommés « Hikari », partagent un même système de gestion de l’énergie. La production photovoltaïque stockée est répartie selon les cycles de consommation différents de trois bâtiments : bureaux et logements. Au-delà des habituels panneaux photovoltaïques, le solaire photovoltaïque est aussi utilisé dans de nouvelles technologies à l’échelle du bâtiment : la tuile solaire proposée par SolarCity produit de l’électricité et assurerait une meilleure étanchéité qu’un panneau classique.

Certaines de ces innovations ne se limitent pas à une échelle. C’est le cas du projet Astre de la start-up française SunChain : elle propose aux détenteurs d’une installation photovoltaïque en autoconsommation d’utiliser l’énergie excédentaire sur d’autres lieux. L’énergie normalement locale est rendue mobile et individualisée. A l’échelle individuelle, le solaire photovoltaïque peut également servir pour recharger des batteries portables par exemple.

Ces différents projets exploitent les caractéristiques du solaire photovoltaïque : planes, les cellules photovoltaïques sont facilement intégrables à nos surfaces urbaines ; modulables, les cellules peuvent être faites de différentes tailles. Ne négligeons néanmoins pas le rôle du stockage dans notre capacité à intégrer l’énergie solaire à la zone urbaine : Tesla révolutionne actuellement le marché du stockage en proposant l’installation combinée de panneaux photovoltaïques et d’une batterie chez les particuliers à des tarifs accessibles (10 000 € pour le kit de 5 kWc de modules et une batterie de 7 kWh).

Si le photovoltaïque semble une énergie particulièrement adaptée à la ville, elle n’en doit pas moins être couplée à des systèmes « intelligents ».

Le solaire photovoltaïque et les mathématiques

Il est essentiel d’anticiper la production photovoltaïque et la consommation d’électricité. Cela est permis par le design de systèmes énergétiques capables d’analyser des données et effectuer des actions selon les résultats.

Là encore, on peut distinguer deux échelles. A l’échelle de la ville ou du quartier, l’analyse macro des données doit permettre de mieux protéger l’équilibre et les flux du réseau. Le pilotage infra-journalier du stockage de l’électricité selon les consommations des bâtiments permet d’optimiser la consommation énergétique.

A l’échelle individuelle, la domotique pilote la consommation des appareils et l’utilisation des capacités de stockage. Enedis expérimente actuellement de telles solutions grâce à son compteur Linky au sein du projet Watt&Moi. L’objectif est de sensibiliser les consommateurs mais également de mettre en place des automatismes de pilotage de la consommation des appareils.

Machine learning & DatalabL’intégration de l’énergie solaire photovoltaïque dans le milieu urbain peut utiliser des règles d’automatisation simples mais souvent non optimales. Pour affiner la gestion de la production et du stockage, la Smart City peut utiliser des algorithmes mathématiques plus poussés. François Pacaud, en thèse entre le CERMICS et Efficacity, travaille actuellement sur l’optimisation du stockage de la production photovoltaïque d’un quartier par décomposition de celui-ci en plusieurs bâtiments. Les incertitudes sur les données stochastiques de production et de consommation, ainsi que la taille des systèmes urbains, doivent être pris en compte par les algorithmes et nécessitent de fortes capacités de calcul. Les algorithmes classiques ne convergent plus vers une solution optimale, d’où une approche par décomposition en sous-systèmes. Les incertitudes sont elles modélisées par l’ensemble des mesures collectées par les nouvelles technologies. Les solutions optimales des sous-systèmes sont ensuite ajustées pour fournir une solution globale la meilleure possible.

A court-terme, de simples automatismes pourraient suffire à gérer la production photovoltaïque d’un quartier. Mais, l’augmentation du nombre et de la taille de systèmes urbains en interaction pourrait nécessiter l’utilisation d’algorithmes plus développés pour répondre aux enjeux des Smart Cities.

Conclusion : le photovoltaïque, poumon « connecté » des Smart Cities

L’énergie solaire photovoltaïque pourrait apporter à la ville intelligente « l’oxygène » dont elle a besoin pour fonctionner. L’électricité produite, comme le sang dans le corps humain, apporte cet oxygène aux « organes » : les infrastructures et les bâtiments. Les automatismes du corps humain sont écrits dans l’ADN, tandis que nous devons encore développer les algorithmes et les automatismes nécessaires à l’interaction entre l’énergie photovoltaïque et les consommateurs.

Sources :

http://www.smartgrids-cre.fr/index.php?p=smartcities-caracteristiques

https://www.opendatasoft.fr/2016/04/29/cest-quoi-la-smart-city-une-introduction-a-la-ville-intelligente/

http://www.lemonde.fr/planete/article/2016/12/21/en-normandie-une-route-solaire-au-banc-d-essai_5052352_3244.html

http://tecsol.blogs.com/mon_weblog/2016/09/green-tech-verte-astre-naissance-dune-nouvelle-%C3%A9toile-dans-lunivers-des-technologies-num%C3%A9riques-sola.html

http://www.enedis.fr/sites/default/files/DP_NICEGRID_VF.pdf

http://www.usinenouvelle.com/article/vinci-et-sunpartner-creent-une-co-entreprise-pour-commercialiser-des-fenetres-photovoltaiques.N473108

http://www.usinenouvelle.com/article/elon-musk-presente-les-tuiles-solaires-de-solarcity.N457657

http://www.lemonde.fr/planete/article/2015/09/17/a-lyon-hikari-le-premier-ilot-mixte-intelligent-a-energie-positive_4761665_3244.html

http://www.lesechos.fr/idees-debats/cercle/cercle-156764-lavenement-des-smart-cities-passe-par-lenergie-solaire-1219660.php

http://tecsol.blogs.com/mon_weblog/2016/01/tesla-r%C3%A9volutionne-le-solaire-domestique-en-australie.html