Horizons n°122 sep/oct/nov 2019
Horizons n°122 sep/oct/nov 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°122 de sep/oct/nov 2019

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Fonds national suisse de la recherche scientifique

  • Format : (220 x 266) mm

  • Nombre de pages : 52

  • Taille du fichier PDF : 7,6 Mo

  • Dans ce numéro : des écoles en mutation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Environnement et technique L’expérience Hemberg Pour comprendre comment le développement des villes influence celui de leur système énergétique, une équipe a commencé par les 150 bâtiments d’une petite commune  : Hemberg, dans le canton de Saint-Gall. Par Geneviève Ruiz Les villes vont énormément croître ces prochaines années et sont appelées à jouer un rôle crucial dans la transition vers les énergies vertes. La forme prise par leur développement a un impact sur tout leur système énergétique, à savoir l’intégration des énergies renouvelables, l’efficacité thermique des bâtiments ou encore la consommation d’énergie. C’est ce que montre une étude menée par Nahid Mohajeri au Laboratoire d’énergie solaire et physique du bâtiment de l’EPFL. Dans une première étape, elle a comparé l’impact de deux scénarios de croissance d’un village sur son système énergétique futur  : soit la densification (notamment avec des constructions en hauteur), soit l’extension géographique dans les environs. Un village décortiqué La particularité de cette recherche  : elle s’est penchée sur un cas concret, la commune saint-galloise de Hemberg, 920 habitants. Les scientifiques ont mené de 2017 à 2018 une vaste collecte de statistiques et de données sur le terrain – chacun des 150 bâtiments du village a été examiné. « Nous avons utilisé des logiciels tels QGIS ou CitySim pour produire différents scénarios d’évolution du village d’ici trente ans, explique la chercheuse, ancienne postdoctorante à l’EPFL, aujourd’hui à l’Université d’Oxford. Nous avons d’abord examiné l’évolution de la population et des bâtiments, puis celle de l’efficacité énergétique des bâtiments en lien avec le climat, et pour finir la production d’énergies durables en lien avec les coûts des technologies. Nous avons ensuite combiné ces résultats afin de calculer l’impact du type de forme urbaine sur tout le système énergétique. C’est une première, car les travaux jusqu’à présent avaient analysé les formes urbaines en lien avec un seul aspect du système énergétique. » Les différentes simulations indiquent notamment qu’en 2050 Hemberg aura 1300 habitants et que son électricité et son chauffage proviendront à plus de 75% d’un 42 Horizons n o 122, septembre 2019 En simulant l’évolution de chacun des 150 bâtiments du village de Hemberg, une étude veut comprendre quelle croissance urbaine facilite la transition énergétique. Image  : N. Mohajeri et al. (2019) mélange d’éolien et de photovoltaïque local. Le réchauffement climatique conduira à une hausse de 115% de la demande de refroidissement des habitations, tandis que le coût des technologies de l’énergie aura baissé de 50%. Sans trop de surprise, la densification se révèle la meilleure solution. « La grande différence réside dans la consommation énergétique, nettement moindre que dans le scénario de l’extension, précise Nahid Mohajeri. Densifier permet notamment de mieux conserver la chaleur dans les bâtiments. Par contre, le point faible est de laisser moins d’espace sur les toits pour le photovoltaïque. Chaque forme urbaine a ses avantages et inconvénients, qu’il faut mettre en balance pour trancher. D’ailleurs, dans certaines villes comportant des immeubles très hauts, l’effet d’ombre ou le peu d’espace pour des panneaux solaires feront pencher davantage vers une extension urbaine. » L’énergie avant le design L’analyse est partagée par Christian Schaffner, directeur de l’Energy Science Center de l’ETH Zurich. Il estime cependant qu’il ne faudrait pas oublier les autres bénéfices de la densification, notamment en termes de mobilité ou d’une occupation réduite du sol. Et note que des panneaux photovoltaïques peuvent aussi être déplacés à l’extérieur de la ville, « voire dans les Alpes ». Pour Christian Schaffner, prendre en considération à la fois la question de l’extension d’une ville et les changements de son système énergétique a beaucoup de potentiel  : « Cela peut clairement aider les responsables locaux dans leurs prises de décision. A l’heure actuelle, la question énergétique intervient souvent trop tard dans la planification urbaine  : on pense d’abord au design des bâtiments, puis aux routes et, seulement en dernier, à l’énergie. Cela devrait être l’inverse. » Les solutions pour la transition énergétique viendront de perspectives multidisciplinaires, comme celle de l’étude sur Hemberg  : « Il faut des psychologues, des sociologues, des économistes, des urbanistes et des architectes qui collaborent avec des ingénieurs. Car si les solutions techniques existent, leur implémentation reste complexe. » En attendant, l’équipe de Nahid Mohajeri continue de développer son modèle de simulation. « Nous voulions prouver sa robustesse avec un petit village. Nous allons maintenant le tester sur des villes plus grandes. » Une tâche nettement plus ardue, car elle impliquera d’immenses jeux de données. Mais la chercheuse se montre confiante  : « Je suis persuadée que cela aidera les villes à devenir plus vertes. » Geneviève Ruiz est journaliste à Nyon (VD).
Julien Lecoeur Environnement et technique Des caméras suivent le vol d’insectes dans un corridor aux parois bariolées. Le vol du bourdon inspire les drones Une étude helvético-suédoise a décrypté les mécanismes du vol du bourdon. Elle montre que ses yeux constitués de milliers de facettes traitent les informations visuelles d’une manière surprenante et économe en énergie. Lorsqu’un animal se déplace, les éléments du monde extérieur bougent dans son champ de vision d’autant plus rapidement qu’ils sont proches. Cette information lui permet de déterminer la distance des obstacles et d’adapter la trajectoire. Mais les insectes effectuent la tâche différemment. « Nous pensions que le bourdon calculait la moyenne des informations transmises par ses yeux, explique Emily Baird, biologiste à l’Université de Lund. Nos travaux suggèrent qu’il ne prend en compte que l’élément dont le déplacement perçu est le plus rapide. » Le système nerveux peut se concentrer sur une infime partie du champ visuel et éviter de longs calculs, car chaque facette est gérée par son propre groupe de neurones. Les scientifiques ont développé des simulations informatiques du vol d’un insecte reposant sur cette hypothèse. Ils les ont comparées à des enregistrements par caméras de vols de bourdons effectués dans un parcours artificiel bardé de repères visuels contrastés. Ces travaux sont intéressants pour les drones autonomes, explique Dario Floreano, roboticien à l’EPFL et coauteur de l’étude  : « Les prototypes utilisant l’intelligence artificielle doivent être suffisamment massifs pour transporter le système de calcul. Au contraire, imiter le traitement visuel du bourdon permet de produire de petits drones autonomes agiles et efficaces. » L’équipe teste déjà un tel prototype. Son vol présenterait les mêmes caractéristiques que l’insecte qui l’a inspiré. Lionel Pousaz J. Lecoeur et al.  : The role of optic flow pooling in insect flight control in cluttered environments. Scientific Reports (2019) Marcel Nicolaus Le manteau neigeux influence la fonte des pôles Le réchauffement climatique provoque la fonte des calottes polaires. Des modèles informatiques calculent combien il reste de glace polaire et estiment la rapidité à laquelle elle disparaîtra. Mais ils ne sont pas assez précis, en particulier en raison de la neige recouvrant la glace qui forme une couverture isolante et influence fortement la vitesse de la fonte. Des chercheurs de l’EPFL et de l’Institut pour l’étude de la neige et des avalanches (SLF) à Davos ont développé avec des collègues allemands un modèle qui intègre enfin en détail l’influence de la neige. « La neige est bien plus complexe que la glace », explique Michael Lehning du SLF. D’un côté, elle ralentit la fonte de la glace parce qu’elle réfléchit mieux la lumière du soleil. Mais de l’autre, la couverture neigeuse a un effet isolant  : elle retient la chaleur dans la glace et empêche que davantage d’eau de mer ne gèle. Elle forme en outre des couches qui ont des microstructures différentes, conduisent plus ou moins fortement la chaleur dont l’influence sur la glace varie. Finalement, la neige peut aussi favoriser la formation de glace simplement à cause de son poids, qui pousse les plaques de glace flottantes plus profondément dans la mer, ce qui augmente la masse d’eau qui gèle à son contact. Les chercheurs ont choisi une nouvelle approche. Plutôt que d’intégrer la neige dans un modèle de glace déjà existant, ils ont ajouté un module de glace de mer dans leur modèle pour la neige appelé Snowpack. Ils ont notamment utilisé les mesures de bouées météorologiques de la mer de Weddell en Antarctique. « Notre nouveau modèle rend plus précisément compte de l’influence de la neige sur la glace polaire », dit Michael Lehning. Les chercheurs travaillent maintenant à l’intégration de Snowpack dans un modèle météorologique global. « Il permettra par exemple de réaliser une simulation pour l’ensemble de l’Antarctique. » Santina Russo N. Wever et al.  : Version 1 of a sea ice module for the physics based, detailed, multi-layer SNOWPACK model. Geoscientific Model Development (2019) Des mesures faites dans la mer de Weddell en Antarctique ont produit les données du modèle. Prometteuses, mais encore au stade de prototype  : des cellules photovoltaïques en pérovskite. Une couche protège des cellules solaires en pérovskite de l’humidité Les cellules photovoltaïques en pérovskite promettent un rendement élevé pour des coûts de production bas. Mais elles présentent un inconvénient  : en conditions réelles, elles perdent rapidement leur efficacité, notamment en raison de l’humidité de l’air. Une équipe de l’EPFL a réussi à améliorer nettement leur stabilité. Ils ont combiné le matériau en pérovskite, efficace pour absorber et convertir la lumière solaire en électricité, avec une couche mince du même minéral traité de manière novatrice. Cette couche bidimensionnelle contient des molécules développées par l’équipe, chargées positivement et hydrofuges. Elle empêche l’humidité d’atteindre le matériau absorbant la lumière et de l’endommager  : « 1000 heures d’exploitation sous une lumière artificielle et à l’air humide n’ont réduit l’efficacité de la cellule que de 10%, contre 60% pour des cellules pérovskites normales », détaille Yuhang Liu, premier auteur de l’étude. Avec un rendement initial de 22%, le dispositif de l’EPFL figure parmi les cellules à pérovskites à deux couches les plus efficientes à l’heure actuelle. « Il s’agit toutefois d’une valeur de laboratoire, et elle reste encore inférieure à la performance des cellules en silicium, note Yuhang Liu. Mais ce rendement est bien supérieur à celui d’autres technologies novatrices, comme les cellules à pigments photosensibles. » Pour les scientifiques, cette performance pourrait être liée au nouveau matériau hydrofuge  : il favoriserait l’extraction de charges électriques positives générées dans la couche de pérovskite par l’absorption de la lumière. Irene Bättig Y. Liu et al.  : Ultrahydrophobic 3D/2D fluoroarene bilayer-bawsed water-resistant perovskite solar cells with efficiencies exceeding 22%. Science Advances (2019) Horizons n o 122, septembre 2019 43 W. Tress (EPFL)



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