Modélisation Urbaine et Stratégies d'adaptation au Changement climatique pour Anticiper la Demande et la production Energétique – MUSCADE

Pour représenter le système ville, son évolution et les processus liés à l’énergie, un modèle numérique a été développé à partir de plusieurs modèles :
Le modèle NEDUM d’expansion urbaine du CIRED (Gusdorf, Hallegatte, 2007) reproduit les mécanismes socio-économiques sous-jacents à la dynamique du système urbain et permet de représenter son évolution des années 1900 jusqu’à la fin du XXIème siècle. La morphologie à l’échelle du quartier est obtenue grâce au modèle de génération et d’évolution des îlots du LRA.
Le modèle Town Energy Balance du CNRM-GAME (TEB, Masson 2000) simule le microclimat urbain à partir des processus physiques liés à la géométrie urbaine, et le calcul du bilan interne du bâti (Bueno et al, 2012) permet de représenter la consommation énergétique de la ville.
Une analyse par le LIENS de l’expansion passée de l’agglomération parisienne et une étude paramétrique de l’énergétique du bâtiment par le CSTB ont permis de valider les modèles.
Enfin, pour représenter la ville future, des projections ont été construites en combinant des hypothèses climatiques, macroéconomiques (prix de l'énergie, croissance, démographie), évolutions du domaine urbain (ville étendue, compacte), techniques de bâti (matériaux, réglementations) et production d'énergie décentralisée (technologies, choix d’implantation).

Le modèle développé permet d’évaluer le climat urbain et l’efficacité énergétique pour répondre de façon transversale aux questionnements d’architectes (quel type de bâti est le mieux adapté au climat futur ? ) d’urbanistes (quelle morphologie de quartier permet la meilleure performance énergétique ?) et de collectivités (quel est l’impact de la forme urbaine sur le climat des villes ? sur les loyers ?).

Il est ainsi possible de comparer différentes stratégies d’adaptation de l’agglomération parisienne au changement climatique.
Les paramètres descriptifs des bâtiments et l’ensemble des projections à l’échelle du siècle constituent en outre des bases de données transposables à d’autres villes.

La production scientifique disciplinaire du projet représente au total 18 conférences et 11 articles, et porte principalement sur l’énergétique du bâtiment dans le modèle de climat urbain, les différents types d’expansion urbaine (NEDUM), l’analyse des formes urbaines, le rôle de la morphologie de l’îlot dans la production d’énergie et les forçages climatiques.
La simulation intégrée « ville–énergie-climat » a déjà fait l’objet de 4 conférences scientifiques ou de vulgarisation, et une production interdisciplinaire est attendue sur l’évaluation des stratégies d’adaptation de la ville au changement climatique.

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 ?uvre 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.