Thème 3.1 – le génie civil support de la sécurisation et du transport de l'énergie

Il est possible d’affirmer que l’énergie, sa production son transport et différentes problématiques connexes reposent pour beaucoup, pour ne pas dire essentiellement sur du génie civil. Ce parc génie civil énergétique nécessite bien entendu lors des élaborations, des constructions le recours à différentes innovations traitées par nos différents laboratoires. Par ailleurs, notre approvisionnement énergétique ainsi que sa sécurisation ou la limitation de ses impacts repose sur la mise en place de méthodologies dédiées d’observation ou de surveillance. Nos laboratoires sont largement impliqués sur ces aspects en fort développement en partenariat avec les industriels ou établissements majeurs du secteur (EDF, RTE, ANDRA, CEA, IRSN, AIEA). A titre d’exemple les points suivants font l’objet de nombreux travaux de recherche actuels :

1. Le prolongement de la durée de vie de nos unités de productions nucléaires implique la mise en place d’un certain nombre de techniques d’observations ou de monitoring. Elles portent notamment sur l’analyse de la fonction précontrainte dans les enceintes de confinement, sur la caractérisation de la géométrie de la fissuration dans le béton, sur la définition de méthodologies expérimentales à faible impact lors des essais décennaux …
2. La sécurisation de l’alimentation en eau de ces centrales constitue un point majeur de notre sécurité (on ne le sait que trop actuellement). Il convient donc de définir des procédures d’observations permanentes des différents ouvrages d’alimentation en vue de déclencher d’éventuelles alertes précoces. 
3. Le transport de l’énergie électrique sera assuré encore durant de nombreuses années par un parc ancien de lignes aériennes HT et THT. La réévaluation à la hausse des aléas climatiques impose d’évaluer leurs fondations. Des techniques particulières de surveillance, d’imagerie et de confortement doivent donc être développées. 
4. En fin de chaîne, la problématique du stockage souterrain soulève un grand nombre de sujets de recherche liés au domaine génie civil. En particulier, la sureté à moyen terme de ce type de stockage repose en partie sur la connaissance de son proche environnement et de son évolution potentielle ainsi que sur la surveillance de certaines de ses parties constitutives. 
5. Les inspections d’installations nucléaires requièrent également des techniques de détection adaptées (au sein de milieux très complexes) de manière à détecter d’éventuels écarts vis-à-vis des déclarations des pays signataires du traité de non prolifération nucléaire.

 La région concentre dans ces domaines des potentiels de formation, de recherche et d'entreprenariat dont la mise en réseau est un gage d'inventivité et d'efficacité.

Thème 3.2 –Eoliennes en mer

La production d’énergie électrique est un grand enjeu dans nos sociétés développées, dans lesquelles certains des moyens de production en site terrestre vieillissent et sont de moins en moins bien acceptés par les populations locales, en particulier en raison des risques liés à l’exploitation de certains générateurs. Le développement de la production d’énergie électrique d’origine éolienne est en plein développement ces dernières années, les meilleurs sites terrestres étant peu à peu équipés en France. Les grandes éoliennes (hauteur supérieure à 12m) en site terrestre font depuis octobre 2008 l’objet d’un contrôle technique obligatoire (Article R111-38 du Code de la construction et de l'habitation). Le Comité Français de Mécanique des Sols et de Géotechnique a réuni dans ce cadre les différents intervenants (fabricants, producteurs, bureaux d’étude, entreprise,…) afin d’éditer des recommandations sur la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle des fondations d’éoliennes.

La Loi n°2005-781 du 13 juillet 2005 (fixant les orientations de la politique énergétique) indique (article 5) que le troisième axe de la politique énergétique est de développer la recherche dans le secteur de l'énergie […], dont « l'augmentation de la compétitivité des énergies renouvelables, notamment des carburants issus de la biomasse, du photovoltaïque, de l'éolien en mer, du solaire thermique et de la géothermie ». Sous le feu des projecteurs début 2011, lors de la désignation des sites (dont un au large du Croisic) l’éolien en mer est inexistant en France, alors qu’il est développé dans d’autres pays européens (Grande-Bretagne, Danemark, Pays-Bas, Suède,…).

Un nouveau secteur d’activité industrielle pour la région des Pays de la Loire semble émerger. Il n’en demeure pas moins que dans la région sont concentrés plusieurs équipements remarquables permettant de relever certains défis de la connaissance liés à l’éolien off-shore : le bassin de Houle du Laboratoire de Mécanique des Fluides de l’ECN, la soufflerie du CSTB, le Banc de Fatigue des Câbles et la Centrifugeuse Géotechnique de l’IFSTTAR permettent de simuler sur modèles réduits certains des effets de l’environnement marin sur les éoliennes off-shore. Par exemple l’effet de la houle et des marées, du vent (ou de la combinaison des deux) sur des structures flottantes ou non peuvent être approchés en bassin et/ou en soufflerie, tandis que la l’effet de ces sollicitations variables sur des fondations sous-marine peut être testé en centrifugeuse.

Une coordination avec la fédération de recherche Mer et Littoral et un rapprochement avec le pôle de compétitivité « Pôle Mer Bretagne » sont à envisager, d’autant qu’une de ses 5 thématiques concerne les « ressources énergétiques marines ».

Thème 3.3 – Energie en ville

L’objectif de ce thème est d’étudier les différentes supports d’installation de sources de production et/ou d’économie (ou de récupération) d’énergie en milieu urbain.  

La ville offre en effet une infrastructure de génie civil existante (bâtiments, immeubles), sur laquelle peuvent venir prendre appui des éléments de production et/ou de récupération d’énergie (éolienne, solaire photovoltaïques, solaire thermique, aérosolaire, chaleur des eaux rejetées), et assurer une part d'autonomie énergétique au milieu urbain. En outre, la proximité entre lieux de production et lieux de consommation permet de réduire les coûts d’infrastructures du transport de l’énergie, et d’améliorer le rendement global du système de production en évitant les pertes en ligne. Ces modifications de l’architecture du réseau énergétique se justifieraient dans un monde où 90% de la population est appelée à vivre en milieu urbain à l’horizon 2020.

En contrepartie, les contraintes d’espace et de nuisance  en milieu urbain limitent le choix à des équipements de faible puissance, de faible encombrement et impact environnemental. La géométrie des bâtiments laisse peu de possibilités d’installation: en façade (incidence verticale) ou en toiture ou en terrasse (horizontale à faible angle d’incidence). Des technologies solaires spécifiques permettraient de s’adapter à des conditions d’incidence peu favorables (aérosolaire par exemple).

Le thème de recherche cible les deux sources d’énergie que constituent l’éolien et le solaire, (photovoltaïques et thermique), ainsi que de possibles combinaisons du solaire thermique avec le système de pompe à chaleurs (aérosolaire).

Comme acteurs de ce thème, il conviendrait d’associer l’agglomération nantaise, mais également des services de l’urbanisme, des architectes et des juristes pour des raisons administratives et juridiques évidentes.

Nantes Métropole est fortement  sensibilisée à la dimension écologique de son développement  urbain. D’une part, elle a lancé une vaste consultation de la population via l’atelier climat  (http://www.nantesmetropole.fr/actualite/l-actualitethematique/atelier-climat-vers-l-avis-citoyen-developpement-durable-35740.kjsp); d’autre part, Nantes souhaite justifier de son récent statut de « capitale verte européenne » (http://www.nantes.fr/home/a-nantes-et-pas-ailleurs/decouvrir-nantes/la-metropole-des-possibles/nantes-capitale-verte.html) .

Thème 3.3a –Eoliennes urbaines intégrées au bâti

L’utilisation du potentiel éolien en milieu urbain est une idée récente. En effet, la rugosité de cet environnement induit des turbulences perturbant le fonctionnement des éoliennes utilisées jusqu’à présent. Cependant, des études sur le vent rencontrant un obstacle tel un bâtiment montrent que le vent s’accélère au passage de celui-ci ce qui permet d'imaginer qu'en plaçant astucieusement de petites éolienne on pourrait obtenir des rendements intéressants. Les éoliennes à axe horizontal sont similaires dans leur principe aux machines géantes que l’on rencontre actuellement sur les grandes fermes éoliennes. Elles sont alors de petite taille, placées sur un mât de 5 à 20 m avec un diamètre compris entre 2 et 10 m pour une production pouvant aller jusqu’à 20 kW. Les machines de type Darrieus (utilisant la portance) ou Savonius (utilisant la traînée) sont pour leur part mieux adaptées à une intégration directe au bâtiment. Les éoliennes à axe vertical ont été conçues pour s’adapter aux contraintes engendrées par les turbulences du milieu urbain. Elles peuvent fonctionner avec des vents provenant de toutes les directions et leur production souffre moins de ces perturbations que les éoliennes à axe horizontal. Elles sont relativement silencieuses et peuvent facilement s’intégrer au design des bâtiments. 

L'intégration de machines tournantes aux bâtiments est source potentielle de vibrations et de bruit. Leur développement passe donc avant tout par la résolution de ces contraintes avant même les questions architecturales et patrimoniales.

Plusieurs programmes de recherches sont en cours, dont AeroJoule avec le CSTB et l'ICAM. Tout comme pour les panneaux photovoltaïques le marché éolien domestique passe par une étape de certification, les constructeurs étant aussi demandeurs de recherche partenariale.

La sollicitation dynamique des constructions supports est étudiée à la fois à partir des effets de la turbulence du vent et de l'excitation dynamique par la machine tournante. Le couplage dynamique entre l'éolienne et sa structure porteuse, dont plusieurs exemples sont déjà recensés en France fait intervenir de nombreux paramètres. Seule une étude approfondie sur la base d'une typologie modale des bâtiments croisée avec les caractéristiques des éoliennes mises sur le marché et leur stratégie de fonctionnement pourra permettre de dégager un corpus réglementaire. Des études en situations contrôlées (soufflerie) et en expérimentation vraie grandeur peuvent être l'occasion d'une collaboration entre acousticiens, aérodynamiciens, énergéticiens et spécialistes des structures.

Thème 3.3b – systèmes solaires urbains intégrés au bâti

D'un point de vue strictement technologique, le rendement des panneaux est susceptible d’augmenter et leur prix de chuter dans un futur proche grâce à un changement technologique des semi-conducteurs constitutifs des panneaux ; ceci est de nature à changer radicalement l'utilisation qui est faite des toitures des bâtiments. En outre des technologies solaires spécifiques permettraient de s’adapter à des conditions d’incidence peu favorables (aérosolaire en façade de bâtiment par exemple) ; le champ de la recherche est ici très ouvert.

Le solaire plus que les autres productions d'énergie renouvelable est tributaire d'un cycle. Les lieux et modes de stockage de l’énergie doivent être développés de manière à pouvoir stocker le pic de production solaire (en journée) pour le pic de consommation de début de soirée et la vie nocturne. Le plancher solaire direct, les matériaux à changement de phase sont des réponses actuelles issues de recherches récentes ; l'adsorbtion  de l'hydrogène sur des supports solides ou l'intégration de supercondensateurs dans l'habitat sont des exemples de technologies où tout reste à découvrir.

Thème 3.3c : énergie et isolation

Le premier effort est l’économie d’énergie. Cela passe notamment par un objectif fort d’isolation du bâti ancien, qui représente plus de 90% du parc immobilier. L’isolation thermique par l’extérieur (ITE) offre la solution technique la plus efficace en toutes saisons (conforts hiver et été). En outre, elle requiert une épaisseur d’isolant moindre, impliquant une économie de ressources non négligeable. En contrepartie, l’ITE peut empiéter sur l’espace publique dans certaines configurations de bâti (façade rue par exemple). Il serait judicieux de sensibiliser les élus des collectivités, les architectes du patrimoine à cette contradiction entre droit cadastral et efficacité énergétique.