Vers des bâtiments neutres en carbone ? Une vision prospective vers 2050

Par Jean-Christophe VISIER, Directeur Energie Environnement, CSTB
Et Sylvain LAURENCEAU, Responsable du projet transversal Economie circulaire, CSTB

Au début des années 2000 on commençait à parler de bâtiments basse consommation, puis en 2005 est apparu le concept de bâtiment à énergie positive décrit notamment dans un article^[1] de prospective rédigé au CSTB. La prise de conscience des impacts du changement climatique et de la nécessité d’analyser les bâtiments sur leur cycle de vie a conduit à élargir le champ de vision. La notion de bâtiment bas carbone est apparue en 2015 et l’expérimentation E+C- associe bas carbone et énergie positive. Mais l’accord de Paris montre que le bâtiment bas carbone n’est qu’une étape vers l’objectif de bâtiments neutres en carbone. 13 ans après avoir esquissé des pistes sur les bâtiments à énergie positive il est temps de mettre en avant des réflexions prospectives sur ces futurs bâtiments neutres en carbone.

L’objectif affirmé par l’accord de Paris est de limiter à 2°C le réchauffement climatique. Pour y arriver il va falloir à la fois réduire drastiquement nos émissions de gaz à effet de serre mais également augmenter notre capacité à stocker le carbone que nous avons émis. Il faudrait arriver d’ici la seconde moitié du siècle à ne pas émettre plus de gaz à effet de serre que nous ne sommes capables d’en absorber. C’est ce qu’on appelle la neutralité carbone. Cette neutralité fixée comme objectif par l’accord de Paris est reprise comme un des objectifs dans le plan climat du gouvernement pour l’horizon 2050.

Aujourd’hui un français émet en moyenne 11 tonnes d’équivalent CO₂ par an et la forêt française qui absorbe et stocke environ 1 tonne d’équivalent CO₂ par an et par français. Le stockage dans la forêt qui est un des rares réservoirs sur lequel l’homme sait agir correspond donc à environ un peu moins de 10% des émissions et nous sommes donc très loin de cette neutralité carbone.

Pour ce qui est des bâtiments, la prise de conscience de leur impact sur le changement climatique est récente. La note prospective du groupe RBR du plan bâtiment en 2015^[2] suivie par la sortie début 2016 du label Bâtiment Bas Carbone puis le lancement de l’expérimentation E+C- fin 2016 ont marqué une mise en mouvement collective vers des bâtiments bas carbone. Et le mouvement s’accélère chacun cherchant aujourd’hui dans son métier les leviers d’action pour aller vers le bas carbone.

La notion de neutralité carbone, fixe un cap encore plus ambitieux. Elle nous conduit à réfléchir à ce que pourraient être des bâtiments non plus bas carbone, mais neutres en carbone. Pouvons-nous imaginer au niveau des bâtiments des solutions à la fois pour réduire nos émissions mais aussi pour stocker sur le long terme les gaz à effet de serre ?

Pour commencer à penser ces bâtiments neutres en carbone et à les rendre accessibles, la conviction est qu’il nous faut changer de lunettes et faire évoluer les indicateurs de performance que nous utilisons. Décrire comment nous pourrions faire évoluer ces indicateurs est un des objets de cet article.

[1] A. MAUGARD, D. QUENARD, J.C. VISIER, Le bâtiment à énergie positive, Revue Futuribles n° 304 janvier 2005
[2] http://www.planbatimentdurable.fr/IMG/pdf/rbr2020_vers_des_batiments_bas_carbone_version_finale.pdf

Les solutions vers les bâtiments neutres en carbone pourraient s’articuler autour de 4 voies de progrès complémentaires, en élargissant la démarche développée par Négawatt^[3] pour l’énergie :

• Sobriété
• Efficacité
• Energies bas carbone
• Stockage carbone

Les trois premières voies visent à réduire drastiquement les émissions de gaz à effet de serre. Elles amènent le gros des progrès mais ne peuvent conduire à la neutralité carbone.

Le quatrième vise à absorber et stocker de manière durable le CO₂ dans les bâtiments en profitant de la longue durée de vie des bâtiments. Elle est indispensable pour atteindre la neutralité carbone et atténuer à moyen terme les effets du changement climatique.

Pourquoi ne pas afficher la performance carbone en tonne de CO² émis par personne ?

La révolution industrielle puis la société de consommation nous ont permis de passer d’une période de grande frugalité à une période d’abondance. La surface des bâtiments a considérablement cru et ceux-ci sont devenus toujours plus confortables. Cette dynamique extrêmement positive a cependant un revers. Sa soutenabilité sur le long terme n’est pas garantie du fait des impacts environnementaux qu’elle entraîne. Le défi va donc être de faire mieux avec moins, c’est le défi de la sobriété.

Tout gestionnaire immobilier le sait, la façon la plus simple de réduire ses consommations d’énergie ou ses émissions de carbone est d’optimiser les surfaces utilisées. Cette solution accessible et peu couteuse permet en réduisant les surfaces par personne de réduire les émissions.

Mais quelle déception de constater que cette approche vertueuse fait augmenter l’indicateur classique exprimé en kWh ou en kgCO₂ par m². Ne gagnerions-nous pas à changer de lunettes et raisonner en termes d'intensité d'utilisation des surfaces, par exemple en passant à des indicateurs exprimés non plus par m² mais par occupant ?

On verrait alors demain des gestionnaires du logement social, des constructeurs de maison individuelle, des promoteurs ou des copropriétés afficher leur performance carbone en tonne de CO₂ émis par personne logée.

Avec une telle approche :

• Le gestionnaire du logement social qui convaincrait ses locataires âgés d’aller vers des logements plus petits mais plus adaptés verrait sa performance carbone s’améliorer ;
• Les petites maisons individuelles plus densément habitées se verraient demander des efforts au m² moins important que les grandes, ce qui serait socialement responsable ;
• Le gestionnaire de bureaux qui optimiserait ses surfaces ou aurait recours au télétravail verrait la performance de son parc s’améliorer ;
• La municipalité qui utiliserait les locaux scolaires hors des temps scolaires verrait également son bilan s’améliorer… Cette évolution relativement simple de l’indicateur de performance est sans doute une des voies pour pousser à la sobriété.

[3] https://negawatt.org/La-demarche-negaWatt

Les travaux sur l’efficacité énergétique ont tracé la voie. Le bâtiment bas carbone doit d’abord être un bâtiment dont les consommations d’énergie sont faibles. Ceci passe notamment par la rénovation massive des bâtiments existants en vue de les transformer en bâtiments basse consommation bien isolés, munis d’équipements techniques à haute efficacité énergétique et bien gérés. L’enjeu est que demain tous les bâtiments neufs comme existants soient très basse consommation.

Mais pour des bâtiments basse consommation l’essentiel des émissions de gaz à effet de serre a lieu lors des phases de construction, de rénovation et de fin de vie. La démarche énergétique classique centrée sur la phase d’exploitation doit être complétée par une analyse en cycle de vie incluant ces phases déterminantes.

Dans un pays développé comme la France, le flux annuel de construction neuve représente un peu plus de 1% du parc. Un enjeu majeur en termes d’efficacité est alors celui de l’économie circulaire.

• Economie circulaire des bâtiments existants qui passe par la réinvention de l’usage des bâtiments existants ;
• Economie circulaire des bâtiments neufs qui passe par une conception favorisant leur transformabilité afin d'apporter une bonne qualité d'utilisation pour différents usages potentiels ;
• Economie circulaire des produits qui passe par le développement du réemploi ;
• Economie circulaire des matériaux via leur recyclage ;
• Economie circulaire de l’énergie par la récupération de flux énergétiques aujourd’hui inexploités.

Par ailleurs, comme pour les consommations énergétiques, rappelons l'importance de la phase de conception, qui détermine 80% des impacts environnementaux d'un produit^[4].

Comment réinventer les bâtiments existants ? pour les adapter à des besoins qui changent plutôt que de faire table rase du passé en détruisant pour reconstruire.

Cette réinvention de l’usage doit permettre la transformation de bâtiments adaptés aux besoins d’hier en bâtiments adaptés à ceux d'aujourd’hui et de demain. Comment adapter les logements d’hier à une population vieillissante ? Comment réinventer le logement au temps d’un nouveau nomadisme, nomadisme lié à la garde alternée, aux études à l’étranger, à la multiplication des voyages ? Comment adapter les bureaux au temps du télétravail ? Comment faire évoluer les parkings au temps de la voiture autonome ? Comment faire muter l’immobilier commercial au temps des achats sur internet ? Comment réinventer les cœurs de bourg ancien ?

Ces réinventions ont démarré, poussées par des acteurs très variés collectivités^[5], acteurs de l’internet^[6], acteurs de l’immobilier…

Comment favoriser la transformabilité des bâtiments neufs ? pour permettre leur adaptation à des évolutions des usages ou des standards de qualité dans les conditions techniques et économiques soutenables ?

De nombreux facteurs concourent à un besoin accru de flexibilité des espaces : cycles immobiliers et évolution des standards de qualité toujours plus rapides, variabilité des compositions familiales, simplicité de la mobilité géographique des emplois ou des populations alors que les bâtiments sont fixes dans l'espace.

Des solutions techniques à ce besoin de flexibilité existent déjà et doivent être intégrées aux procédés constructifs afin de ne pas entrainer une obsolescence prématurée et une répétition d'erreurs passées.

Ainsi, les logements que l'on démoli massivement aujourd'hui ne sont clairement pas les plus anciens mais ceux qui, bien qu’étant dans des zones ou un besoin fort existe, ne correspondent plus aux besoins de l’époque.

Comment réemployer les composants de ce bâtiment ?

Le réemploi se développe et pourrait être une « passerelle entre architecture et industrie » comme l’affirme le projet Repar #2^[7] piloté par Bellastock.

Jusqu'au début du vingtième siècle, le réemploi a été une partie intégrante des procédés constructifs et il était fréquent que les produits composant un ouvrage soient en partie ou en intégralité réemployés dans la construction d'un ouvrage plus récent. Ainsi les aménagements de la gare de Lille dans les années 1860 ont été en partie réalisés avec des pierres provenant de l'ancienne gare du Nord à Paris. Si ces pratiques sont ensuite devenues plus marginales, des solutions sont en cours d’expérimentation pour mettre en place des filières de réemploi de produits qui n’avaient pas été prévus pour l’être, comme sur le territoire de Plaine Commune^[8] ou via une mobilisation de maitres d'ouvrages regroupés au sein de l'association Circolab.

En parallèle, de nombreuses initiatives viennent accompagner la réémergence du réemploi dans le contexte actuel en développant des méthodes de diagnostic, des outils techniques de fiabilisation des performances ou des plateformes physiques ou numériques permettant de reconditionner les produits et de faciliter d'adéquation entre offre et demande. Demain nous irons plus loin en allant vers des produits écoconçus pour être réemployés. Ainsi certains producteurs de poutrelles d’acier envisagent demain de les louer plutôt que de les vendre.

Pouvons-nous recycler la matière première ?

Les industriels l’ont bien compris l’utilisation de matières premières secondaires^[9] est une alternative intéressante autant économiquement qu’écologiquement. Les producteurs d’acier ou d’aluminium s’alimentent depuis longtemps en matière recyclé. Le béton bas carbone est un utilisateur massif de matières premières secondaires venant notamment de la sidérurgie. Cette démarche de recyclage est en train de se diffuser dans les filières, qui sont de plus en plus nombreuses à se fixer des objectifs ambitieux en termes de valorisation matière. Aujourd’hui l’économie circulaire émerge dans le secteur du bâtiment et le potentiel en matière d’amélioration de notre efficacité apparait comme considérable.

Comment développer l’économie circulaire de l’énergie ?

La chasse à la récupération d’énergie est aujourd’hui ouverte au niveau des bâtiments ou des groupes de bâtiments : ventilation double flux, récupérateur de chaleur sur l’eau chaude sanitaire, utilisation de la chaleur produite par la climatisation de bâtiments de bureaux pour chauffer l’eau chaude de logements, chauffage de bâtiments par des data centers centralisés, ou délocalisés dans les bâtiments… Nous ne sommes sans doute qu’au début de ces démarches.

Un besoin de quantification qui se développe

Nous avons su définir, au cours des 30 dernières années, des méthodes de mesure de l’efficacité énergétique. Nous allons au cours des années qui viennent faire émerger des méthodes de quantification de l’économie circulaire et des débats nombreux sont à prévoir. Les quelques exemples concrets suivants illustrent les questions qui se posent déjà :

• Un promoteur qui construit un bâtiment doit-il prendre en compte l’impact des émissions liées à la fin de vie de la structure, sachant que ce bâtiment pourrait avoir plusieurs vies successives, mais encore indéterminées aujourd’hui ?
• Comment répartir entre les différents utilisateurs les impacts d’une poutrelle d’acier qui serait louée et non vendue ?
• Comment les filières acier et béton doivent se répartir les émissions liées aux sous-produits de production de l’acier qui sont utilisés pour faire du béton bas carbone ?
• Comment mesurer la performance de la « pompe à chaleur numérique » qu’est un data center délocalisé assurant le chauffage de logements ?

[4] Ecodesign your future, Commission européenne, 2012
[5] www.reinventer.paris
[6] https://www.airbnb.fr/
[7] http://www.bellastock.com/rd/repar-2/
[8] http://www.plainecommune.fr/actualites/actualites/actualite-detaillee/article/plaine-commune-sengage-dans/#.WwVqd-6FOUk
[9} https://www.dictionnaire-environnement.com/matiere_premiere_secondaire_mps_ID1073.html

La recherche du bas carbone nécessite une réduction drastique de l’utilisation des énergies fossiles. Cette utilisation se traduit en effet par un déstockage rapide du carbone absorbé par les organismes vivants qui a ensuite été transformé et progressivement stocké sur du très long terme sous forme de charbon, de pétrole ou de gaz Les travaux prospectifs en ce sens se développent l’ADEME, GRDF et GRT GAZ ont par exemple travaillé sur un mix de gaz 100% renouvelable en 2050^[10].

Une fois actée cette réduction drastique de l’utilisation des fossiles, la question va se poser ensuite des émissions de carbone des autres énergies renouvelables et du nucléaire. Celles-ci sont nettement plus faibles que ceux des fossiles mais sont loin d’être nulles lorsque l’on analyse l’ensemble du cycle de vie.

Pour les énergies sans combustion, solaire thermique et photovoltaïque, éolien, hydraulique, nucléaire…, il n’y a quasiment pas d’émission de gaz à effet de serre lors de la production de l’énergie. En revanche il a fallu fabriquer le système de production d’énergie et cette fabrication a un impact qui ne peut être négligé. L’impact de la fin de vie des systèmes devra également être pris en compte. Ces énergies se caractérisent toutes par un cout d’investissement élevé et un cout de fonctionnement très faible. Il en est de même pour leurs émissions de CO₂ qui seront concentrées sur les phases de construction et de gestion de la fin de vie.

De plus l’énergie renouvelable étant intermittente il faudra ajouter soit une deuxième énergie soit un système de stockage qui auront eux aussi des impacts CO₂ pour leur fabrication. Il sera donc nécessaire de prendre en compte ces émissions pour pouvoir comparer différents systèmes.

Jusqu’à présent, les émissions de CO₂ des énergies de réseau étaient rapportées aux consommations d’énergie (en kWh), ce qui était légitime puisque le gros des émissions avait lieu en phase d’exploitation, il pourra être nécessaire de les rapporter au moins en partie à la puissance installée (en kW) puisque le gros des émissions a lieu en phase de construction. On se rapprocherait alors de ce qui se pratique depuis bien longtemps sur les factures d’énergie qui tiennent compte à la fois de la consommation et de la puissance.

Pour les énergies avec combustion telles que le bois on a affaire à des cycles biologiques qui ont successivement une phase de stockage de gaz à effet de serre lorsque l’arbre pousse et une phase d’émission de gaz à effet de serre lorsque le bois est brûlé. Le cycle est similaire à celui qui a lieu avec les énergies fossiles mais sa durée se compte en année et non en million d’années.

En première approximation les phases de stockage et de déstockage se compensent. On peut donc légitimement considérer que le bilan d’émission est globalement nul. C’est l’approche qui est considérée actuellement. Mais certains acteurs commencent à penser qu’il va falloir progressivement pousser au stockage à long terme de ce carbone biogénique pour aller vers la neutralité carbone.

[10] http://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/france-independante-mix-gaz-renouvelable-010503a.pdf

Alors que nous avons depuis le début de l’ère industrielle déstocké massivement du carbone du sol, un enjeu va être demain d’en stocker autant que nous en émettons.

Une voie évidente pour stocker le carbone est le stockage dans la forêt. La quantité de carbone stockée dans les forêts françaises^[11] représente environ 120 tonnes de CO₂ par Français. L’empreinte carbone des français étant de 11 t par français le stock en forêt correspond à 11 ans d’émissions. L’accroissement de la forêt permet de stocker 1 t de CO₂ par français et par an soit un peu moins de 10% des émissions annuelles de gaz à effet de serre.

On constate rapidement que les capacités de stockage carbone sont aujourd’hui fort limitées et qu’il faut valoriser les démarches permettant de les développer. Le bâtiment a comme caractéristique d'être parmi les productions humaines à la fois la plus répandue et une des plus durables. Il serait dommage de ne pas utiliser son potentiel pour stocker du carbone. Une première approche pour stocker du carbone dans les bâtiments consiste à utiliser des matériaux biosourcés que ce soit en structure, pour les façades, les revêtements intérieurs, les isolants…

L’analyse de différents projets montre que l’utilisation d’une centaine de kg de matériaux biosourcé par m² de bâtiment n’est pas irréaliste. Cela conduit à stocker de l’ordre^[12] de 180 kg de CO₂ par m² de bâtiment. Le label E+C- a défini des valeurs de références pour les émissions de carbone liées à la construction celles-ci varient suivant les types de bâtiments entre 650 et 1050 kg de CO₂ par m².

Stocker 180 kg par m² dans un bâtiment neuf cela correspond au stockage de 17 à 27% des émissions de carbone liées à la construction. C’est une première marche très significative vers les bâtiments neutres en carbone. Les bâtiments neufs pourraient donc prendre en charge une part significative du stockage carbone nécessaire à la compensation des émissions liées à leur construction.

Mais cette approche sera insuffisante et d’autres approches devront également être explorées on peut citer notamment :

• La re-végétalisation de parcelles artificialisées ;
• Une gestion de la fin de vie du béton lui permettant de réabsorber une part significative du carbone émis lors de sa fabrication ;
• Le développement de technologies innovantes de captage du CO₂ sur les bâtiments telles que par exemple celles que nous testons sur le site de Marne la Vallée du CSTB dans le cadre d’un projet de recherche^[13].

Faire apparaitre dans les référentiels ce stockage carbone comme nous l’avons fait à titre expérimental lors de l’établissement du label BBCA est une voie permettant d’aller vers des bâtiments neutres en carbone. La voie pourrait être élargie pour valoriser les différentes technologies en devenir permettant le stockage carbone au niveau des bâtiments.

[11] http://www.onf.fr/gestion_durable/++oid++453/@@display_advise.html
[12] 1kg de matière biosourcé correspond à environ 0,5kg de Carbone stocké. Si ce carbone était utilisé pour fournir de l’énergie cela conduirait à l’émission de 1,83kg de CO2 dans l’atmosphère.
[13] http://www.cnrs.fr/insis/recherche/docs-evenements/CP-SymBIO2-AlgoNOMAD.pdf

Pour aller vers des bâtiments neutres nous aurons besoin de nous atteler à quatre sujets :

• La sobriété : en commençant par regarder les émissions par personne et non pas seulement par m² ;
• L’efficacité : en associant efficacité énergétique, développement de l’économie circulaire et quantification des impacts de celle-ci ;
• Les renouvelables : en sortant des énergies fossiles et en analysant l’impact des énergies renouvelables sur leur cycle de vie ;

Stockage carbone : en intégrant systématiquement l’impact du stockage carbone dans nos outils d’analyse. Toutes cette réflexion sur les bâtiments neutres en carbone devra bien évidemment s’inscrire dans une démarche globale. Le cadre de référence défini par l’alliance HQE^[14] nous rappelle en particulier deux points essentiels :

• La vision globale sera forcément multicritère et intégrera qualité de vie, performance économique et respect de l’environnement ;
• Les réponses apportées devront être adaptées au contexte, c’est en particulier le cas pour les démarches d’économie circulaire qui sont fortement influencées par le territoire où est situé un bâtiment.

[14] http://www.hqegbc.org/wp-content/uploads/2015/05/2015-05-Brochure_cadre_de_ref.pdf

Remerciements :

Cet article résulte d’échanges nombreux que nous avons au quotidien au CSTB avec des acteurs de la filière et la plupart des idées qui s’y trouvent sont les résultats de ces échanges. Nos remerciements vont à tous ceux qui y retrouveront des idées sur laquelle nous avons pu échanger au cours des derniers mois.

Par Jean-Christophe VISIER, Directeur Energie Environnement, CSTB
Et Sylvain LAURENCEAU, Responsable du projet transversal Economie circulaire, CSTB

SOURCE ET LIEN

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