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Sep 20, 2023

District de Toronto 2030 : que faudra-t-il pour décarboniser les opérations de construction ?

Les professionnels du DEA sont de plus en plus aptes à améliorer l'énergie

Les professionnels de l'AED sont de plus en plus aptes à améliorer la performance énergétique des bâtiments individuels. Mais pour atteindre les objectifs mondiaux de réduction des émissions de carbone, il faudra bien plus que créer de nouveaux bâtiments selon des normes plus élevées et moderniser les bâtiments existants au coup par coup. Dans des provinces comme l'Ontario, cela signifiera un abandon massif des systèmes de chauffage au gaz naturel à forte intensité de carbone. Alors que les gouvernements doivent décider quel combustible remplacera le gaz, les architectes doivent comprendre ce qui s'en vient, car cela influencera la façon dont ils conçoivent à l'avenir et les conseils qu'ils donnent à leurs clients aujourd'hui.

Pour mieux comprendre ce qui sera nécessaire pour parvenir à un avenir à faible émission de carbone, j'ai travaillé avec le Toronto 2030 District : une initiative privée-publique avec 63 membres, y compris des propriétaires d'immeubles, des exploitants et des investisseurs ; les prestataires de services tels que les architectes, les ingénieurs et les fournisseurs ; et des groupes communautaires comme l'OAA. Le district de Toronto 2030 fait partie d'un réseau nord-américain de 23 districts similaires, liés à l'organisation à but non lucratif Architecture 2030.

En utilisant un centre-ville de Toronto comme banc d'essai, nous avons relevé le défi d'explorer le problème « méchant » de la réduction des émissions d'exploitation des bâtiments, qui représentent environ 30 % des émissions mondiales de GES. La zone physique du district contient la plupart des types de bâtiments que l'on trouve en Ontario : résidences de faible hauteur, résidences de grande hauteur, tours commerciales et de bureaux de faible hauteur, ainsi que l'Assemblée législative de l'Ontario, deux stades, un aréna de hockey, deux universités, de nombreux hôpitaux, deux hôtels de ville, des hôtels et des restaurants. Nous abordons principalement ce qu'il faut faire des bâtiments existants, mais nous nous attendons également à ce que les résultats influencent la réglementation et le leadership en ce qui concerne les nouveaux bâtiments. Les membres du Toronto 2030 District ne sont pas novices en matière d'écologisation des bâtiments et ont un aperçu de ce qui pourrait fonctionner et de ce qui ne fonctionnera pas.

Trouver la bonne solution

On croyait autrefois que les propriétaires d'immeubles pouvaient prendre des décisions individuelles qui, une fois additionnées, sauveraient la planète : mais il est devenu clair que cette idée ne fonctionne pas. Les progrès ont stagné à environ 30 % d'économies d'énergie opérationnelles. Les économies réalisées jusqu'à présent ont des retombées relativement bonnes, comme la mise en œuvre généralisée des rénovations d'éclairage. Cependant, réaliser les prochaines 30 % d'économies sera beaucoup plus coûteux - impliquant des changements tels que des enveloppes ou des rénovations mécaniques - et les entreprises qui feront cavalier seul seront désavantagées par rapport à la concurrence.

Des programmes comme le système d'évaluation LEED ont parfois obtenu de meilleurs résultats, mais LEED n'a pénétré qu'environ 1 % du marché de la construction neuve et a touché beaucoup moins de notre parc immobilier existant. Même ce programme a eu du mal à réaliser d'importantes réductions de carbone en raison de son système de mesure, basé sur des bâtiments de référence et des alternatives proposées, plutôt que sur des résultats réels.

Dans l'ensemble, ce que nous avons fait jusqu'à présent sont essentiellement des actes aléatoires d'efficacité énergétique. Nous ne savons pas si nos efforts répondent à l'impératif climatique. Nous sommes comme des alpinistes dans un brouillard au pied d'une montagne : nous savons que nous montons, mais nous ne savons pas si notre chemin mène au sommet, ou au sommet d'un contrefort (Figure 2). Si nous prenons des mesures pour atteindre un objectif pour 2030, nous devons nous assurer que les efforts sont conformes à ce qui est nécessaire pour atteindre les objectifs de 2050 et qu'ils ne devront pas être annulés. Néanmoins, ce qui a été fait jusqu'à présent n'est pas perdu. Notre expérience des projets LEED peut être utilisée pour imaginer ce qui est nécessaire pour faire évoluer la super-efficacité.

Il devient clair que ce dont nous avons besoin de toute urgence est une solution politique, plutôt qu'une solution de consommation. Il existe un précédent pour le travail qui doit être fait. Dans les années 1950 et 1960, de nombreux gouvernements (dont celui de l'Ontario) ont soutenu la conversion des réseaux de « gaz de ville » au gaz naturel et continuent de réglementer le développement et l'expansion de notre réseau de gaz naturel.

Comme à l'époque, la nouvelle solution concernera d'abord et avant tout le changement de combustible, puis l'efficacité énergétique. Pour atteindre nos objectifs de réduction de carbone, il n'existe aucun scénario dans lequel le gaz naturel, dont le composant principal, le méthane, est un puissant gaz à effet de serre et qui crée du dioxyde de carbone lorsqu'il est brûlé, peut continuer à être utilisé pour chauffer les bâtiments. Il n'y a aucun moyen de capturer le CO2 résultant au niveau du bâtiment, et sans cela, nous ne pouvons pas atteindre les objectifs mondiaux de réduction de nos émissions de carbone à 50 % en dessous des niveaux de 1990 d'ici 2030 et d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050. Nous devons changer de carburant.

Une nouvelle vision

Le district de Toronto 2030 a déjà terminé un projet de données sur les services publics qui tient compte de la consommation énergétique annuelle des 7 216 bâtiments à l'intérieur de ses frontières (www.toronto2030platform.ca). Nous étudions aujourd'hui les pistes pour créer une offre énergétique décarbonée répondant aux besoins des bâtiments du Quartier. Pour cet exercice, nous avons choisi un processus développé par Transition Accelerator, un organisme sans but lucratif canadien dont le travail comprend des projets en Ontario, au Québec et en Alberta (figure 3). Le processus est bien adapté car, comme le District, il est guidé par l'engagement des parties prenantes et des objectifs définis.

À ce jour, le district de Toronto 2030 a terminé les étapes 1 et 2 de notre projet Pathways - comprendre les systèmes existants et développer conjointement une vision alternative. Le projet est arrivé à la vision directrice suivante : « D'ici 2050, Toronto aura zéro émission nette de GES et sera un endroit sain où tous pourront prospérer. Des communautés culturelles, de divertissement, d'affaires et résidentielles dynamiques seront soutenues par une infrastructure sophistiquée et propre pour les ressources et les services essentiels. Le réseau énergétique sera propre, résilient et créera un minimum de déchets. »

Notamment, cette vision ne concerne pas uniquement l'étanchéité à l'air, l'isolation et les ventilateurs efficaces. Nous devons reconnaître le contexte social et économique de l'efficacité énergétique. Nous devons rechercher des co-bénéfices, comme une valeur et un confort accrus, qui pourraient payer des améliorations. Le district comprend des actifs qui sont de riches sources de données et d'idées qui peuvent également être exploitées, comme les universités, les instituts de recherche, les organisations de construction et les agences gouvernementales.

Étude de changement de combustible

L'étape 2 du projet Pathway, notre première analyse approfondie, concerne les scénarios de changement de carburant. Pour changer de combustible, nous devrons changer l'équipement de chauffage de chaque bâtiment, ainsi que fournir un système énergétique capable de répondre à la demande déplacée.

Les carburants et les technologies qui prétendent remplacer le gaz naturel sont l'électricité, l'hydrogène et le gaz naturel renouvelable. Pour l'électricité, le district a examiné différentes technologies de chauffage : radiateurs à résistance électrique, pompes à chaleur à air (ASHP) et pompes à chaleur géothermiques. Pour les combustibles gazeux, nous avons également examiné différentes méthodologies de production : l'hydrogène bleu (créé en divisant le gaz naturel en hydrogène et en dioxyde de carbone capturé), l'hydrogène vert (produit à partir d'eau, en utilisant de l'électricité renouvelable) et un hybride d'électricité et de gaz naturel renouvelable (ce dernier capturé à partir de la décomposition des déchets organiques dans les fermes et les décharges).

Il a été très difficile d'estimer le coût des modifications apportées au bâtiment sur place. Les plus de 7 000 bâtiments du quartier se présentent sous une grande variété de formes et de tailles. De plus, nous voulions travailler avec des coûts réels pour remplacer les chaudières, les refroidisseurs et les unités de toit.

Pour remplacer le parc immobilier, nous avons développé un ensemble de 13 typologies représentatives d'occupation des bâtiments, chacune avec des plaques de sol et des systèmes mécaniques typiques, pour approximer les moyennes du parc immobilier du district. Nous avons utilisé des données publiques sur l'intensité de la consommation d'énergie (EUI) pour chaque type d'occupation et les avons comparées aux mesures de consommation réelles de notre précédent projet de plateforme de données. Le résultat est un modèle réaliste, bien qu'approximatif, de la façon dont les bâtiments du district consomment de l'énergie et des systèmes mécaniques nécessaires pour supporter cela.

Dans l'analyse, nous avons ensuite remplacé chaque système mécanique typique par un équipement approprié pour les nouveaux carburants. Nous avons obtenu les prix courants d'un fournisseur d'équipement et avons inclus les coûts accessoires et le coût d'emprunt dans nos estimations de remplacement. Ensuite, nous avons traduit cela en coûts au pied carré pour chaque type de bâtiment, que les propriétaires de bâtiments pourraient utiliser pour estimer leurs propres coûts et l'impact sur leurs activités.

Pour estimer les futures factures de services publics, nous avons calculé la quantité de chaleur actuellement produite par la combustion de gaz naturel dans chaque type de bâtiment, et calculé la quantité d'électricité, d'hydrogène ou d'électricité et de gaz naturel renouvelable (dans un système hybride) qui serait nécessaire pour générer la même quantité de chaleur. Nous avons travaillé avec une variété de rapports et d'estimations pour développer des coûts de carburant qui reflètent les coûts de production du carburant et de construction des centrales énergétiques nécessaires, y compris la capture et le stockage du carbone dans les cas où le gaz naturel est le carburant de base.

En additionnant les coûts en capital et les coûts de carburant, on obtient un coût total par pied carré. Cela a montré que l'hydrogène bleu est le substitut le moins cher pour la combustion du gaz naturel. Viennent ensuite un hybride de pompes à chaleur air et de gaz naturel renouvelable, puis des pompes à chaleur géothermiques, puis des résistances électriques, puis des pompes à chaleur air seules et enfin de l'hydrogène vert. La figure 4 montre le coût moyen par pied carré dans les huit typologies de bâtiments les plus courantes.

Regarder ce chiffre suggère que la décision est claire. Mais pas si vite : le coût n'est qu'une considération. Nous devons également tenir compte du potentiel de changements de coûts, ainsi que de la probabilité que nous puissions effectuer la conversion du système avant 2050.

Faire le bon choix

Le carburant le moins cher du tableau, l'hydrogène bleu, ne dispose pour l'instant d'aucun système de livraison à un bâtiment. Pour l'analyse du district, nous avons basé nos coûts d'équipement sur une étude britannique qui fixe les coûts à des prix similaires à ceux des équipements à gaz, mais la réalité est que les équipements à base d'hydrogène ne peuvent pas être achetés aujourd'hui. Il n'y a pas de codes ou de normes d'hydrogène, pas de détecteurs de sécurité d'hydrogène disponibles à installer dans les salles de fournaise, et personne ne fabrique ou ne vend de chaudières à hydrogène. Nous supposons que certaines conduites de gaz naturel pourraient être réaffectées, mais certaines devraient être remplacées, et le basculement doit se faire quartier par quartier, de sorte que les nouveaux équipements au gaz seront remplacés aux côtés des équipements en fin de vie.

On peut facilement fabriquer de l'hydrogène bleu au Canada, puisqu'il est fabriqué à partir de gaz naturel, jumelé à la capture et au stockage du carbone. Il offre une réduction de 90 % des émissions par rapport au gaz naturel. Pour une solution zéro carbone, nous aurions besoin de passer à l'hydrogène vert, le carburant le plus cher de notre analyse.

Si nous convertissons à l'électricité en utilisant des pompes à chaleur, nous avons un réseau existant avec une capacité excédentaire suffisante pour commencer la conversion aujourd'hui. L'impact de la conversion sur le réseau et sur les tarifs d'électricité est modéré, car les revenus du système augmenteront à mesure que la demande augmentera. Et bien que le système brûle actuellement du gaz en Ontario, il existe une technologie viable pour le rendre 100 % sans carbone.

Toutes les thermopompes que nous avons chiffrées peuvent être achetées aujourd'hui; il y a une chaîne d'approvisionnement claire. Les normes, codes et équipements de sécurité électrique sont en place et entièrement développés. De plus, les prix des pompes à chaleur baissent à mesure que le marché se développe. Certains estiment qu'au cours des huit prochaines années, les prix chuteront de 30 % s'il existe un marché pour l'équipement.

Le gaz naturel renouvelable est limité par la disponibilité de la biomasse. Selon les estimations actuelles, le maximum que nous pourrions produire serait de 20 % de la quantité de gaz naturel que nous utilisons aujourd'hui. C'est suffisant pour passer à un système hybride. Notre système de distribution de gaz actuel peut fournir du gaz naturel renouvelable immédiatement : tous les codes et équipements de sécurité sont en place, et la chaîne d'approvisionnement est solide. Malheureusement, la biomasse sera en forte demande pour le carburant d'aviation et les utilisations industrielles, ce qui pourrait faire grimper les prix.

La figure 5 résume ces facteurs.

Pour tous les types de carburant, l'effort requis pour convertir nos systèmes est énorme, dans l'ordre de nos efforts de mobilisation pour la Seconde Guerre mondiale. Enbridge Gas compte 3,8 millions de clients à convertir rien qu'en Ontario. C'est 131 000 clients chaque année si nous commencions cette année… ce que nous ne pouvons pas, car il nous manque un plan et la volonté politique d'en développer un.

Notre conclusion ? Dans les années à venir, le gaz naturel cessera d'être utilisé dans les bâtiments. Quand il s'agit d'alternatives, il n'y a pas de gagnant clair. Néanmoins, nous avons une idée plus claire de l'ampleur des coûts, qui pourraient être réduits grâce à des mesures d'efficacité énergétique des bâtiments. La prochaine étape de l'analyse du District est une étude d'efficacité, suivie d'un plan intégré, à terminer d'ici la fin de cette année.

Conclusion

"L'ampleur du défi est énorme, mais cela ne rend pas la réalisation de l'objectif impossible", écrit le politologue américain Roger Pielke Jr. "Ce qui rend la réalisation de l'objectif impossible, c'est l'incapacité à comprendre avec précision l'ampleur du défi et l'absence de propositions politiques à la hauteur de cette ampleur".

Les architectes et les ingénieurs ne prennent pas les décisions finales sur la façon de dépenser l'argent d'un propriétaire de bâtiment, et encore moins de conduire des changements de politique plus importants, mais il est de notre devoir d'offrir des choix et des informations éclairés à nos clients. Au minimum, nous devrions cesser de calculer la valeur actualisée nette des mesures d'économie d'énergie en fonction du coût actuel du gaz naturel. Au lieu de cela, nous devrions offrir une analyse de sensibilité incluant les années potentielles de gaz naturel disponible. Nous devrions proposer des rénovations d'enveloppes comme une option plus coûteuse, mais moins risquée, car elles desserviront toutes les voies futures.

Quels que soient les systèmes énergétiques que le Canada finira par choisir, la seule chose dont nous sommes sûrs, c'est que pour relever le défi climatique mondial, l'ère de la combustion de gaz naturel bon marché dans les bâtiments doit prendre fin.

Sheena Sharp est fondatrice et directrice de Coolearth Architecture. Elle est une ancienne présidente de l'Ontario Association of Architects (OAA) et une ancienne présidente du Sustainable Built Environments Committee (SBEC) de l'OAA.

L'équipe de recherche du district de Toronto 2030 pour l'étude sur le changement de combustible comprend la coprésidente Julia McNally, exploitante indépendante du système d'électricité (IESO); Coprésidente Sheena Sharp, Coolearth Architecture ; Bruno Arcand, Université Carleton;, Peter Halsall, Purpose Building; Anton Kogan, architectes et planificateurs SvN ; James Meadowcroft, Université Carleton; Birgit Siber, directrice à la retraite, DSAI ; Cara Sloat, Hammerschlag & Joffe ; Genève Starr, bâtiment But ; Victor Tulceanu, BDP Quadrilatère ; et Svetan Veliov, Arup.