Utiliser l'électrification et l'automatisation pour créer des réseaux électriques plus efficaces et durables – 2e partie sur 2

L'électrification consiste à remplacer les sources d'énergie traditionnelles du réseau de distribution d'énergie par des sources durables et vertes. La 1re partie de cette série présente certains des défis associés à l'électrification et explique comment l'automatisation peut contribuer à son efficacité et à sa durabilité. Cet article, la 2e partie, est consacré aux certifications LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) et ZEB (Zero Energy Building), ainsi qu'à la manière dont elles peuvent réduire les émissions de carbone et améliorer la durabilité.

Les certifications LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) et ZEB (Zero Energy Building) représentent les efforts importants soutenant la volonté de réduire les émissions de carbone et d'améliorer la durabilité. L'obtention des certifications LEED et ZEB requiert une approche holistique combinant l'électrification, qui remplace les systèmes énergétiques basés sur les combustibles fossiles par des alternatives vertes comme le photovoltaïque (PV) et les véhicules électriques (VE), avec des systèmes d'automatisation et de contrôle sophistiqués.

Le programme LEED du U.S. Green Building Council (USGBC) inclut la décarbonation des bâtiments existants et des nouvelles constructions. Les efforts ZEB sont coordonnés par le bureau Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) du département américain de l'énergie. L'obtention des certifications LEED et ZEB exige des architectes et des entrepreneurs qu'ils adoptent de nouvelles approches en matière de conception, de construction et d'exploitation des bâtiments. Par rapport à la certification ZEB, qui cible uniquement la consommation d'énergie, LEED est un concept plus vaste qui prend en compte le carbone, l'énergie, l'eau, les déchets, les transports, les matériaux, la santé et la qualité de l'environnement intérieur.

Ce deuxième article d'une série de deux sur l'électrification et le développement durable commence par examiner les niveaux de certification LEED et ZEB et les conditions requises pour obtenir ces certifications pour les bâtiments commerciaux et industriels, y compris une comparaison de plusieurs définitions de ZEB. Il présente ensuite un exemple de la manière dont Phoenix Contact a utilisé l'automatisation et la production d'électricité photovoltaïque sur site pour obtenir les certifications LEED Argent et ZEB pour une annexe de 6500 mètres carrés sur son campus principal, y compris comment certains des produits de l'entreprise ont contribué au succès du projet (Figure 1). Il se termine par un aperçu de la manière dont les bâtiments LEED peuvent contribuer aux objectifs de développement durable des Nations Unies.

Figure 1 : La production photovoltaïque sur le toit a été un facteur clé permettant à cette usine de Phoenix Contact d'obtenir les certifications LEED Argent et ZEB. (Source de l'image : Phoenix Contact)

LEED est holistique

LEED est un système complet qui prend en compte tous les éléments nécessaires à la création de bâtiments hautes performances. Les certifications LEED sont basées sur des crédits ou des points attribués à un projet en utilisant des critères de performances détaillés. Les catégories de performances et leur importance relative (de la plus importante à la moins importante) sont les suivantes¹ :

• Réduction de la contribution au changement climatique mondial.
• Amélioration de la santé humaine individuelle.
• Protection et restauration des ressources en eau.
• Protection et amélioration de la biodiversité et des services écosystémiques.
• Promotion des cycles de matériaux durables et régénératifs.
• Amélioration de la qualité de vie de la communauté.

Le critère le plus essentiel, la réduction de la contribution au changement climatique mondial, représente 35 % de l'ensemble des points. Les niveaux de certifications LEED incluent Certifié (40 à 49 points), Argent (50 à 59 points), Or (60 à 79 points) et Platine (80+ points).

Dans la dernière version LEED, v4.1, la plupart des points sont liés au carbone intrinsèque et opérationnel. Le carbone opérationnel correspond aux émissions de dioxyde de carbone (CO₂) générées par le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC), l'éclairage et d'autres systèmes de bâtiment consommateurs d'énergie. Le carbone intrinsèque correspond aux émissions associées à la production de matériaux de construction et aux processus de construction d'un bâtiment tout au long de son cycle de vie.

La certification LEED est importante pour la création d'un monde plus vert. Les bâtiments représentent 39 % des émissions mondiales de CO₂, dont 28 % proviennent de l'exploitation des bâtiments et 11 % des émissions intrinsèques (Figure 2). Le secteur du bâtiment étant le principal contributeur aux émissions mondiales de CO₂, des programmes spéciaux ont également été développés pour encourager le développement de bâtiments zéro énergie.

Figure 2 : L'exploitation des bâtiments, les matériaux et la construction sont les principaux contributeurs à la production mondiale de CO₂. (Source de l'image : new buildings institute)

Définir le zéro énergie

Le zéro énergie semble être un concept simple, mais il a plusieurs définitions. Les trois définitions les plus cités sont le programme LEED Zero Energy, l'International Living Future Institute (ILFI) Zero Energy, et le Zero Code Renewable Energy Procurement Framework (Zero Code) — une initiative de l'organisation Architecture 2030 qui a été adoptée comme norme énergétique pour les bâtiments californiens. Il existe des différences significatives dans la façon dont « zéro » est défini.

Pour obtenir la certification LEED Zero Energy, un bâtiment doit présenter un bilan énergétique de zéro pendant 12 mois, y compris l'énergie produite sur place et l'énergie produite à l'extérieur (achetée). La combustion de combustibles fossiles sur site n'est pas interdite. La consommation totale d'énergie doit être constituée d'énergies renouvelables produites sur site ou en externe ou de compensations carbone.

La certification ILFI Zero Energy est la norme la plus restrictive. Elle exige des sources renouvelables sur site pour fournir 100 % des besoins énergétiques du bâtiment. Aucune combustion n'est autorisée et la certification est basée sur les performances réelles ; la modélisation n'est pas autorisée.

Zero Code cible spécifiquement les nouveaux immeubles commerciaux, institutionnels et résidentiels de moyenne à grande hauteur. Cette norme définit un bâtiment zéro carbone comme un bâtiment qui n'utilise aucun combustible fossile sur site et qui produit sur place ou achète suffisamment d'énergie renouvelable sans carbone ou de crédits carbone pour répondre aux besoins énergétiques opérationnels du bâtiment. Zero Code requiert également que les bâtiments répondent à la norme ASHRAE 90.1-2019 pour le rendement énergétique. Zero Code autorise la substitution d'autres normes de rendement énergétique si elles permettent d'obtenir un rendement énergétique égal ou supérieur.

LEED en pratique

Phoenix Contact a récemment installé un système photovoltaïque de 961 kilowatts (kW) sur le toit du centre logistique situé sur le campus principal de l'entreprise aux États-Unis. Le système génère suffisamment d'énergie pour satisfaire environ 30 % des besoins énergétiques de l'installation, soit la consommation énergétique équivalente d'environ 160 foyers par an. Le bâtiment a obtenu les certifications LEED Argent et Zero Energy.

Le système de cogénération à microturbine de 1 MW alimenté au gaz naturel sur site a été intégré au système photovoltaïque. Le système central de contrôle de l'énergie surveille en temps réel la production de l'installation photovoltaïque et la consommation énergétique du bâtiment. Le générateur à microturbine est utilisé lorsque la demande énergétique globale dépasse la production du système photovoltaïque. Il arrive parfois que le système photovoltaïque et la microturbine soient utilisés ensemble pour fournir de l'électricité au réseau via la facturation nette, générant ainsi des revenus pour l'entreprise.

Le système a été conçu pour réduire la consommation de gaz naturel pendant la journée et faire fonctionner le générateur à microturbine principalement la nuit, maximisant ainsi le rendement énergétique global et minimisant la génération totale de CO₂. Certains jours, il est possible de réduire la consommation de gaz naturel à quasiment zéro. Voici quelques statistiques sur le système photovoltaïque :

• 2185 panneaux solaires
• 1 214 235 kWh générés annuellement
• 1 939 279 livres de réduction de l'empreinte CO₂

Une surveillance et un contrôle continus des segments individuels du système photovoltaïque dans les grandes installations comme celle-ci sont nécessaires pour atteindre un rendement et une disponibilité maximum de la production d'électricité.

L'automatisation a besoin d'informations exploitables

Une automatisation et un contrôle efficaces pour les systèmes d'électrification tels que les installations photovoltaïques exigent des informations complètes et exploitables. La surveillance en temps réel de chaque chaîne de panneaux photovoltaïques maximise la production et prend en charge la maintenance préventive. Si une chaîne tombe en panne de manière inattendue, elle peut perdre des milliers de kW d'énergie, avec les pertes financières correspondantes.

Le système photovoltaïque de 961 kW du campus américain de Phoenix Contact comprend douze onduleurs avec six chaînes de panneaux photovoltaïques alimentant chaque onduleur, et intègre plusieurs produits de l'entreprise, à commencer par les compteurs d'énergie EMpro de deuxième génération comme le 2908286 à montage sur panneau. Ces compteurs sont conçus pour mesurer et transmettre les paramètres énergétiques clés aux plateformes basées cloud qui prennent en charge la surveillance à distance de tous les éléments du système. Les compteurs d'énergie EMpro sont disponibles pour diverses conceptions de systèmes électriques, y compris les installations et configurations à une, deux et trois phases. Le système surveille de nombreux éléments du système et conditions opérationnelles en temps réel, y compris les suivantes :

• Les onduleurs sont surveillés individuellement pour la puissance d'entrée CC, la puissance de sortie CA, la puissance active et réactive, les défaillances et l'état de fonctionnement.
• Chaque chaîne photovoltaïque est surveillée pour la sortie de courant et de tension. Ces données sont évaluées pour déterminer l'état de la chaîne et les éventuels besoins de maintenance.
• Les températures des panneaux sont surveillées grâce à de nombreux capteurs répartis dans toute l'installation.
• Les conditions météorologiques telles que la vitesse et la direction du vent, la température, l'humidité relative et la pression atmosphérique sont collectées.
• L'éclairement énergétique du soleil est mesuré à l'aide de deux pyranomètres, l'un à un angle de 10 degrés correspondant à l'angle d'installation des panneaux et l'autre installé horizontalement.
• Les capteurs d'encrassement mesurent la perte de lumière causée par la poussière et la saleté à la surface des panneaux photovoltaïques.
• Des caméras assurent la surveillance de sécurité du système.

Le système a également besoin d'interfaces et d'enregistreurs de données. Par exemple, les modules sans fil Radioline de l'entreprise, comme le modèle 2901541, communiquent sans fil avec les capteurs de température et d'encrassement des modules photovoltaïques à l'aide du protocole RS-485 sans câbles. Dans d'autres cas, Power over Ethernet (PoE) est utilisé pour transmettre simultanément l'alimentation et les données. La protection contre les intrusions peut être fournie par les routeurs de sécurité FL mGuard 1000, comme le modèle 1153079, qui assurent la sécurité du pare-feu et la gestion des utilisateurs.

Pour relier l'ensemble, il faut un contrôleur comme le modèle 1069208 à montage sur rail DIN de Phoenix Contact, basé sur la technologie PLCnext de l'entreprise (Figure 3). Lorsqu'il est associé à un module d'entrée/sortie (E/S) comme le modèle 2702783, le contrôleur rassemble les données du réseau de capteurs et les transmet à un fournisseur de services cloud. De plus, un PC industriel exécute le logiciel Solarworx de Phoenix Contact. Les bibliothèques et les outils logiciels inclus prennent en charge les protocoles et les normes de communication adoptés par l'industrie solaire. Le système permet une automatisation et une visualisation personnalisées du fonctionnement du système photovoltaïque, et il est compatible avec des progiciels tiers capables d'analyser les données historiques et en temps réel pour optimiser les performances. Les bibliothèques incluent des blocs fonctionnels qui répondent aux exigences de la norme CEI 61131 pour les contrôleurs programmables.

Figure 3 : Contrôleur à montage sur rail DIN adapté aux systèmes de production photovoltaïque à grande échelle. (Source de l'image : Phoenix Contact)

Le contrôle de l'alimentation est la dernière pièce du puzzle de l'électrification pour l'intégration des ressources énergétiques distribuées (DER) telles que les panneaux photovoltaïques au réseau électrique. Les contrôleurs PGS de Phoenix Contact peuvent surveiller les niveaux de tension et de puissance réactive aux points de connexion au réseau et déterminer les valeurs de contrôle requises pour les onduleurs afin de prendre en charge la gestion de l'alimentation dans les réseaux moyenne et haute tension.

LEED et développement durable

L'Organisation des Nations Unies (ONU) a identifié 17 objectifs de développement durable² visant à mettre fin à la pauvreté mondiale d'ici à 2030. Selon l'USGBC, l'électrification et l'automatisation inhérentes aux bâtiments LEED peuvent contribuer à atteindre 11 des 17 objectifs, notamment :

Objectif 3 : Bonne santé et bien-être

Objectif 6 : Eau propre et assainissement

Objectif 7 : Énergie propre et d'un coût abordable

Objectif 8 : Promouvoir une croissance économique soutenue, partagée et durable, le plein emploi productif et un travail décent pour tous

Objectif 9 : Bâtir une infrastructure résiliente, promouvoir une industrialisation durable qui profite à tous et encourager l'innovation

Objectif 10 : Réduire les inégalités dans les pays et d'un pays à l'autre

Objectif 11 : Villes et communautés durables

Objectif 12 : Consommation et production durables

Objectif 13 : Mesures relatives à la lutte contre les changements climatiques

Objectif 15 : Préserver et restaurer les écosystèmes terrestres, en veillant à les exploiter de façon durable, gérer durablement les forêts, lutter contre la désertification, enrayer et inverser le processus de dégradation des sols et mettre fin à l'appauvrissement de la biodiversité

Objectif 17 : Renforcer les moyens de mettre en œuvre le Partenariat mondial pour le développement et le revitaliser

Les stratégies d'entreprise peuvent également contribuer à un monde plus durable. Par exemple, l'obtention par Phoenix Contact des certifications LEED Argent et Zero Energy pour son centre logistique pour les Amériques faisait partie de l'objectif initial de l'entreprise visant à atteindre la neutralité carbone sur tous ses sites dans le monde. Le prochain objectif de l'entreprise est de créer d'ici à 2030 une chaîne de valeur ajoutée entièrement neutre sur le plan climatique.

Conclusion

Le secteur du bâtiment est celui qui contribue le plus à la production mondiale de CO₂. Les certifications LEED et ZEB sont des outils importants pour mesurer le succès de l'utilisation de l'électrification et de l'automatisation pour créer des bâtiments plus efficaces et durables. Comme illustré, les installations de production photovoltaïque à grande échelle intégrées à une capacité de cogénération sur site peuvent contribuer à un monde plus vert. Les bâtiments certifiés LEED soutiennent également la réalisation des dix-sept objectifs de développement durable de l'ONU et l'objectif d'éliminer la pauvreté mondiale d'ici à 2030.

Références :

1. LEED rating system, Green Building Council
2. Objectifs de développement durable, Nations Unies