Une ville zéro émission dans le désert

Les premiers indices du projet sont visibles. Un mur blanc s'étend à travers le désert, comme une ligne de craie sur un terrain de jeu poussiéreux. Un bus aux fenêtres sombres agite un nuage bas, faisant passer les travailleurs devant un groupe de grues en acier, deux plates-formes de forage portables et un stand de colonnes de béton poussant des barres d'armature de couleur rouille. Un grand grillage protège des rangées de panneaux solaires montés sur des dalles de béton.

Ville du désert : Le développement de Masdar City, près d'Abu Dhabi, en était aux premières étapes de construction en octobre dernier. Au loin, des grues érigent le premier bâtiment, un institut de recherche.

La construction est le début d'une vaste expérience, une tentative de créer la première ville au monde sans voiture, sans émissions de dioxyde de carbone et sans déchets. La ville, qui devrait être achevée en 2016, est la pièce maîtresse de l'Initiative Masdar, un investissement de 15 milliards de dollars du gouvernement d'Abou Dhabi, qui fait partie des Émirats arabes unis. Le nouveau développement, construit à la périphérie de la ville d'Abou Dhabi, fonctionnera presque entièrement à l'énergie du soleil et n'utilisera que 20 % d'énergie en plus qu'une ville conventionnelle de taille similaire. Les ordures seront triées et recyclées ou utilisées pour le compost; les eaux usées seront transformées en carburant. Des colonnes en béton soulèveront la ville à sept mètres du sol, créant un espace en dessous pour un réseau de transports électriques automatisés qui remplacera les voitures. Les planificateurs prévoient que le développement attirera 1 500 entreprises de technologies propres, allant des grandes sociétés internationales aux startups, et, à terme, quelque 50 000 résidents.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2009

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La ville sera une oasis d'énergies renouvelables dans un pays de cinq millions d'habitants, enrichi par le pétrole, qui consomme le plus de ressources naturelles par habitant au monde. Vu d'une certaine manière, ce n'est que le dernier projet ostentatoire dans un pays qui a été défini par eux. En effet, les Émirats arabes unis abritent déjà le bâtiment le plus haut du monde et une immense station de ski couverte qui comprend une piste en diamant noir de 200 mètres de long. Des promoteurs immobiliers ont dragué du corail et du sable du fond marin, les empilant dans le golfe Persique pour créer des îles en forme de palmiers et une carte du monde.

Pourtant, de nombreux experts sont optimistes quant au fait que la ville peut devenir un banc d'essai pour de nouvelles approches des problèmes d'ingénierie et d'architecture impliqués dans la création de villes écologiquement durables. Bien que les architectes aient déjà conçu et construit de nombreuses petites résidences et bâtiments commerciaux à zéro émission, les projets impliquant de grands bâtiments commerciaux polyvalents n'ont pas répondu aux attentes, utilisant trop d'énergie ou n'en produisant pas assez. Une partie du problème est la complexité croissante qui accompagne l'échelle, explique J. Michael McQuade, vice-président senior de la science et de la technologie chez United Technologies à Hartford, CT ; le logiciel de conception d'aujourd'hui n'a pas été capable de le gérer. Mais Masdar City, elle-même développée à l'aide d'une modélisation poussée, sera câblée dès le début pour collecter des données qui pourraient s'avérer utiles pour développer de meilleurs modèles. Ces informations pourraient rendre les futures villes zéro émission moins chères et plus faciles à construire.

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Et le développement est destiné à gagner de l'argent, pas seulement à introduire de nouvelles technologies. Nous voulons que Masdar City soit rentable, pas seulement un coût irrécupérable, a déclaré Khaled Awad, directeur du développement immobilier du projet, lors d'une énorme exposition immobilière à Dubaï l'automne dernier. S'il n'est pas rentable en tant que développement immobilier, il n'est pas durable. Pourtant, si c'est le cas, il peut être reproductible.

Si les ingénieurs environnementaux, en acquérant de l'expérience en construisant cette ville sauvage, deviennent beaucoup plus productifs pour construire la prochaine ville, cela commencera à passer de la science-fiction à quelque chose que Houston adopterait, explique Matthew Kahn, professeur d'économie à l'Université de Californie. , Los Angeles. Gil Friend, PDG de Natural Logic, une entreprise de conception durable basée à Berkeley, en Californie, est d'accord. Je vois Masdar d'une part comme un terrain de jeu pour les riches, dit-il, et d'autre part comme une opportunité de R&D pour déployer et tester une technologie qui, si les choses se passent bien, apparaîtra dans d'autres villes.

Multimédia

• Voir une animation survolée de la conception de Masdar City.

• Voir un schéma du siège de l'Initiative Masdar.

• Visitez le site de test solaire à Masdar City.

Bien sûr, une grande partie de ce que nous avons appris de Masdar ne s'appliquera pas en dehors de la côte incroyablement chaude et ensoleillée du golfe Persique. Un site en Allemagne, qui ne recevrait pas autant de soleil, ne pourrait pas dépendre autant de l'énergie solaire. Un site à San Francisco peut ne pas avoir besoin de climatisation, ce qui rend les informations sur les systèmes de refroidissement avancés moins pertinentes. Mais si le projet atteint ses objectifs environnementaux, il montrera à tout le moins que de telles villes peuvent être construites. Les gens disent : « Eh bien, ce serait génial. Ce serait une bonne idée, mais ce n'est évidemment pas possible », dit Friend. Une fois que vous pouvez pointer du doigt quelque chose, cela enlève beaucoup de ces arguments.

Excédent énergétique : Le siège social de Masdar, illustré dans un rendu architectural, est conçu pour générer plus d'électricité renouvelable qu'il n'en consomme ; ce serait le premier bâtiment polyvalent à grande échelle à le faire.

Innovant
L'Initiative Masdar fait partie d'un plan ambitieux visant à transformer une économie basée sur les ressources, le troisième plus grand exportateur de pétrole au monde, en une économie basée sur la connaissance et l'expertise. Le nom Masdar vient du mot arabe pour source, et le plan est de faire d'Abou Dhabi la Silicon Valley de l'énergie alternative : une source de talents, de brevets et de startups dans l'industrie même qui pourrait un jour défier la suprématie du pétrole. C'est un défi de taille pour le moins, surtout pour une région qui, selon Awad, n'a pas été connue pour l'innovation depuis mille ans.

La ville a été conçue comme une zone franche destinée à attirer des entreprises de technologies propres, en grande partie d'autres pays. (Le premier locataire, General Electric, prévoit de construire une installation de 4 000 mètres carrés.) Le Masdar Institute, la première partie de la ville à être construite, est censé être ce que l'Université de Stanford est à la Silicon Valley. Développé en collaboration avec le MIT, qui a organisé le programme et aide à sélectionner et à former le corps professoral, l'institut sera une école supérieure de recherche, proposant des masters et, éventuellement, des doctorats. Sa première promotion de 100 étudiants commencera les cours cet automne. Et si les diplômés développent des idées prometteuses et créent des entreprises, ils peuvent se tourner vers l'Initiative Masdar pour obtenir des capitaux. Sur les 15 milliards de dollars que le gouvernement a mis de côté jusqu'à présent pour l'initiative, seulement environ 4 milliards de dollars sont désignés comme capitaux d'amorçage pour la construction des infrastructures de la ville. (La ville devrait coûter au total 22 milliards de dollars, le reste devant provenir d'investisseurs extérieurs.) Les 11 milliards de dollars restants sont destinés à une série d'investissements ; les projets à ce jour comprennent une usine de cellules solaires en Allemagne, un parc éolien offshore au Royaume-Uni et des efforts pour réduire les émissions de carbone au Nigeria.

Pourtant, la ville est la partie la plus visible de l'initiative. C'est de loin le plus grand projet zéro émission et zéro déchet au monde, selon plusieurs experts. (Un plus grand développement d'éco-ville près de Shanghai n'aspire pas à zéro émission.) Les efforts ailleurs se sont jusqu'à présent limités à des bâtiments de petite à moyenne taille et à de petites communautés, comme une série de maisons en rangée efficaces pour 250 personnes à Wallington, dans le sud Londres. L'un des bâtiments zéro émission les plus ambitieux à ce jour, le Lewis Center de l'Oberlin College dans l'Ohio, compte 1 263 mètres carrés de surface au sol. Masdar City couvrira six kilomètres carrés. Son siège social à lui seul, qui comprendra des bureaux ainsi que des espaces commerciaux et culturels, occupera une structure de 89 500 mètres carrés.

Un plan directeur détaillé de la ville est achevé, de même que les plans des premiers bâtiments : l'Institut Masdar et le siège. La ville, qui comprendra des appartements et des laboratoires, mais aussi des usines, des cinémas, des cafés, des écoles, des casernes de pompiers, etc., est destinée à produire autant d'électricité qu'elle en consomme. Son eau sera recyclée pour économiser les coûts énergétiques du dessalement. Des tubes à vide sous la ville transporteront les déchets vers un lieu central, où ils seront triés et, dans la mesure du possible, recyclés. Les déchets qui ne peuvent pas être recyclés seront convertis en énergie grâce à un processus de gazéification et les restes incorporés dans les matériaux de construction. Les eaux usées seront traitées et une partie transformées en un combustible renouvelable sec pour produire de l'électricité. Le système de transport comprendra une ligne de métro léger reliant le développement au centre-ville d'Abou Dhabi et à l'aéroport, ainsi qu'un système de transport rapide personnel (PRT) avec des stations dans toute la ville. Le PRT, un système de véhicules électriques automatisés, reliera les personnes à la voie ferrée ou les acheminera vers des parkings à l'extérieur de la ville.

Comme c'est souvent le cas pour les projets zéro émission à ce jour, la ville devra dépendre en partie des combustibles fossiles, à la fois pendant la construction et pour l'électricité la nuit, lorsque ses panneaux solaires ne produiront pas d'électricité. L'objectif est en fait mieux décrit comme zéro rapporter émissions de dioxyde de carbone : pour atteindre l'objectif de zéro émission, les développeurs se tourneront vers un système de crédits carbone. Au fur et à mesure de la construction de la ville, un réseau de panneaux solaires de 10 mégawatts fournira de l'électricité à la ville voisine d'Abou Dhabi, réduisant ainsi la demande d'électricité des centrales électriques au gaz naturel locales pendant la journée. Les émissions de carbone économisées compenseront les émissions produites la nuit, lorsque Masdar tire son électricité de ces mêmes usines de gaz naturel. Ce panneau solaire et des panneaux supplémentaires qui seront installés au fur et à mesure que la construction se poursuit et que la demande d'électricité augmente, compenseront également les émissions de carbone des équipements de construction, des processus utilisés pour fabriquer des matériaux de construction tels que le béton, et même des vols de consultants à Abu Dhabi. des villes du monde entier.

Excédent énergétique : Les cônes structurels du siège social de Masdar, qui soutiennent un toit chargé de panneaux solaires, fourniront lumière et ventilation. L'étang aide à rafraîchir l'air.

Jusqu'à présent, les développeurs ont pris en compte à peu près tout, explique Pooran Desai, cofondateur de BioRegional, une société britannique qui a aidé à développer le projet zéro émission à Londres et a été consultant pour Masdar. Je ne connais aucun autre projet qui ait été aussi approfondi en termes de surveillance du carbone, dit Desai. Ils traquent chaque molécule de dioxyde de carbone.

Le plan directeur
Dubaï est une ville tentaculaire dominée par les voitures, à environ une heure de route de la ville d'Abou Dhabi. Les gratte-ciel s'étendent le long d'une autoroute à 12 voies, Sheikh Zayed Road. La lumière du soleil chauffe les zones non ombragées à 46 °C en été. Mais il y a quelques endroits à Dubaï où une personne peut marcher dehors au milieu de la journée sans risquer un coup de chaleur, et tous sont des artefacts du passé. Il y a les souks couverts, les marchés ombragés. Et il y a un quartier historique appelé Bastakiya, qui conserve une partie de l'architecture qui protégeait les habitants de la chaleur et de l'humidité avant l'arrivée de la climatisation. Les maisons et les magasins ont des murs épais faits de corail séché et de gypse qui absorbent la chaleur pendant la journée, la libérant lentement la nuit. Parce que les bâtiments sont serrés les uns contre les autres, ils s'ombragent les uns les autres ainsi que les passages étroits qui les séparent. Les passages canalisent les brises, refroidissant davantage les bâtiments.

Lorsque Gerard Evenden, associé principal de la société britannique Foster and Partners, a commencé à élaborer le plan directeur de Masdar City, il s'est tourné vers ces conceptions traditionnelles pour trouver des moyens d'économiser l'énergie. Étant donné que la ville dépendra presque entièrement de l'électricité produite à partir de l'énergie solaire, ce qui représente cinq fois le prix de l'électricité du réseau local, la ville doit être environ cinq fois plus économe en énergie que les développements concurrents à proximité.

L'une des premières choses qu'Evenden a faites a été de soustraire les voitures : une fois les autoroutes supprimées, les bâtiments de la ville pouvaient être séparés par des passages de seulement 7 à 12 mètres de large, suffisamment proches pour s'ombrager mais suffisamment éloignés les uns des autres pour laisser entrer la lumière indirecte. C'est un moyen peu coûteux de réduire le besoin non seulement de climatisation, mais aussi d'éclairage électrique, la plus grande consommation d'électricité dans les bâtiments commerciaux. L'isolation est également bon marché : à l'Institut Masdar, Evenden prévoit d'utiliser une isolation de 30 centimètres d'épaisseur pour empêcher la chaleur d'entrer. Il incorpore également des peaux de feuille de cuivre qui réfléchissent la lumière et éloignent la chaleur des bâtiments. La feuille sera protégée de la poussière du désert par un plastique autonettoyant de type téflon. Pour réduire le besoin de dessalement énergivore, la conception d'Evenden réduira la consommation d'eau de 75 % grâce au recyclage, aux appareils à faible débit et aux urinoirs sans eau.

Une petite fraction de l'énergie qui est encore nécessaire pour faire fonctionner la ville proviendra de combustibles à base de déchets et peut-être de l'énergie géothermique. Le reste proviendra du soleil, mais pas entièrement de l'énergie photovoltaïque coûteuse, qui convertit la lumière du soleil en électricité. Des appareils beaucoup moins chers qui concentrent la chaleur du soleil chauffent l'eau et font fonctionner un type de climatiseur appelé refroidisseur à absorption. (C'est le même type de technologie qui est utilisé maintenant dans les réfrigérateurs au propane.)

En théorie, tout devrait fonctionner. Mais dans la pratique, même des projets beaucoup moins ambitieux ont échoué. Le Lewis Center de l'Oberlin College présente bon nombre des mêmes éléments de conception écoénergétique : une isolation épaisse, une ventilation naturelle avec des échangeurs de chaleur, de nombreuses fenêtres pour compenser le besoin d'éclairage électrique et des pompes à chaleur plutôt que des fours conventionnels. Un réseau de panneaux solaires de 60 kilowatts sur son toit était censé produire autant d'électricité au cours d'une année que le bâtiment en consomme. Pourtant, le bâtiment utilisait initialement trop d'énergie et les panneaux solaires n'étaient pas adéquats. Pour atteindre l'énergie nette zéro, le collège a dû installer un panneau solaire supplémentaire à proximité, ce qui a plus que triplé la production totale d'électricité. Cela a ajouté plus d'un million de dollars à un bâtiment déjà cher, estime John Scofield, professeur de physique à Oberlin qui a publié une analyse détaillée des performances du bâtiment.

En général, les architectes constatent qu'il devient de plus en plus difficile de prédire comment les systèmes économes en énergie interagiront à mesure que les bâtiments grandissent. Dans les bâtiments conçus pour tirer parti de la lumière naturelle, par exemple, les concepteurs peuvent installer des capteurs pour éteindre automatiquement les ampoules lorsque suffisamment de lumière arrive de l'extérieur. Mais les lumières qui s'allument ou s'éteignent dans une zone de détection peuvent affecter les capteurs dans une autre. Dans certains bâtiments, cela a créé une boucle de rétroaction qui fait que les lumières s'allument et s'éteignent de manière ennuyeuse.

Les zones de chauffage et de refroidissement voisines peuvent également s'influencer mutuellement pour créer des boucles de rétroaction complexes et imprévisibles, d'autant plus que le nombre de zones augmente. J. Michael McQuade de United Technologies se souvient de ce qui s'est passé lorsque son entreprise a conçu ce qui était censé être un système intelligent de gestion du chauffage, de la ventilation et de la climatisation pour un nouveau bâtiment à Paris. Le système a été conçu pour coordonner 3 000 zones différentes. Lorsque ce bâtiment a été construit pour la première fois, il consommait beaucoup d'énergie et il a fallu une refonte des systèmes de contrôle intégrés pour bien faire les choses, explique McQuade.

Si les bâtiments à zéro émission doivent être économiques, dit Scofield, les conceptions auront du travail dès le départ. Si vous ne faites pas les choses correctement, dit-il, pointant du doigt le fiasco d'Oberlin, chaque correction que vous apportez est bien plus coûteuse que de bien faire les choses du premier coup.

Transit personnel
Masdar City sera surélevée sur pilotis en béton pour faire place à un système de transport rapide personnel (PRT) qui remplacera les bus et les trains par des véhicules plus petits conçus pour quatre personnes. Les planificateurs de Masdar s'attendent à ce que le système utilise moins d'énergie que les transports en commun conventionnels, et ils disent que ce sera également plus pratique.

Dans un système PRT, plusieurs petits véhicules, souvent appelés pods, attendent à chaque station. Un individu ou un petit groupe en monte et choisit une destination ; le pod se dirige automatiquement vers la destination sans s'arrêter. Dans une conception typique, chaque véhicule ressemble à une voiturette de golf alimentée par batterie, sauf qu'il est complètement fermé et un peu plus gros et qu'il n'a pas de volant. Le véhicule suit une piste, qui est reliée aux stations par des rampes d'accès et de sortie, et un ordinateur contrôle la façon dont les pods entrent et sortent des stations : les rampes permettent aux pods individuels de s'arrêter tandis que d'autres continuent le long de la voie principale en haut vitesses. Les simulations suggèrent que les systèmes pourraient fonctionner avec aussi peu qu'une demi-seconde entre les véhicules.

Mais bien que les PRT semblent prometteurs, ils n'ont pas fait leur chemin. C'est en partie parce qu'un système de type PRT construit dans les années 1970 à Morgantown, WV, a donné une mauvaise réputation à l'idée, explique Jerry Schneider, professeur émérite d'urbanisme et de génie civil à l'Université de Washington à Seattle et défenseur de longue date. des PRT. Les gens montaient dans les véhicules et ne s'arrêtaient pas, dit Schneider à propos du système, une ligne de transport en commun avec des voitures automatisées pour environ 20 personnes. La technologie s'est améliorée depuis lors, dit-il, mais il n'y a pas eu de démonstration significative dans le monde réel des systèmes mis à jour.

Deux programmes de démonstration sont en cours. Le premier, qui transportera les passagers vers un nouveau terminal à l'aéroport international d'Heathrow près de Londres, ouvrira ses portes plus tard cette année. Les tests de ce système sont déjà en cours. Et la première étape du système à Masdar City, qui sera construite par la société néerlandaise 2GetThere, devrait être en place pour l'ouverture de l'Institut Masdar cet automne.

Le banc d'essai
Sameer Abu-Zaid ne transpire pas. Il fait 39 °C avec 74% d'humidité, mais il dit que c'est une belle journée, beaucoup plus fraîche que l'été à Abu Dhabi, où les températures peuvent atteindre 49 °C. Abu-Zaid, originaire de Jordanie et récemment directeur d'un fabricant d'équipements de semi-conducteurs dans la Silicon Valley, gérera l'infrastructure électrique et de distribution de Masdar City. Tous ces modules ont été testés dans les usines, dit-il en faisant le tour de l'un des premiers signes visibles de la ville, un site d'essai où il met à l'épreuve 41 panneaux solaires de divers fabricants. Mais ils ont été testés dans des conditions de test standard : 1 000 watts par mètre carré, 25 °C. Bel espace climatisé. C'est totalement différent ici.

La poussière du désert recouvre rapidement les panneaux, atténuant efficacement la lumière qui les atteint. Abu-Zaid a appris que seulement quatre mois de poussière réduisaient la production des panneaux solaires de plus de 20 pour cent - des informations qu'il utilisera pour décider de la fréquence de lavage des panneaux, en équilibrant la perte de puissance par rapport à la consommation d'eau.

Voie ombragée : Des panneaux solaires sur les toits offrent une protection solaire dans les espaces publics entre les bâtiments.

Un autre problème est la chaleur. Les surfaces sombres des panneaux solaires absorbent la lumière du soleil, augmentant leur température jusqu'à 80 °C. La chaleur affecte certaines technologies de cellules solaires plus que d'autres. Certains des panneaux solaires les plus efficaces produisent également moins d'énergie lorsqu'ils chauffent. En raison de ces compromis, il n'est pas évident de savoir quels panneaux fonctionneront le mieux sur le site de Masdar, dit Abu-Zaid. Sur le terrain d'essai, les capteurs suivent le degré de chauffe des différents panneaux, l'efficacité des différentes stratégies de refroidissement et l'évolution de la puissance de sortie avec la température, entre autres facteurs.

Cette collecte de données se poursuivra à mesure que la ville se développera. Ses concepteurs et ingénieurs mesureront à la fois la consommation d'énergie et la production d'énergie. Ils suivront la consommation d'eau jusqu'à l'appareil individuel. Au siège de Masdar, les concepteurs peuvent utiliser des étiquettes RFID dans les badges de sécurité pour recueillir des informations sur la façon dont les gens utilisent l'eau et l'énergie. De telles mesures permettront aux concepteurs et aux ingénieurs de comparer les performances réelles de la ville avec les performances prédites par des tests et des simulations en laboratoire.

Vérification de la réalité
Au début des années 1960, alors que les États-Unis s'empressaient d'envoyer un homme sur la lune, les ventilateurs et les lumières électriques étaient encore inédits à Abu Dhabi, selon Mohammed Al Fahim, originaire de l'émirat qui a écrit une histoire rare de le lieu. Ce n'était pas longtemps après la découverte du pétrole là-bas, et bien avant que l'argent ne commence à couler. Al Fahim appartient à l'une des familles les plus riches de la région, mais sa sœur et plus tard sa mère sont décédées faute de soins de santé de base. Aujourd'hui, l'espérance de vie à Abu Dhabi est pratiquement la même qu'aux États-Unis. Avant, les habitants vivaient de l'eau des puits saumâtres ; maintenant, ils boivent de l'eau douce provenant de nouvelles usines de dessalement. Les huttes de feuilles de palmier fragiles et hautement inflammables qui abritaient la plupart des gens ont été remplacées par des gratte-ciel étincelants de verre et d'acier.

À bien des égards, le développement d'Abou Dhabi au cours des dernières décennies a reflété un effort frénétique pour rattraper le monde développé. Désormais, grâce à des projets tels que Masdar City, l'émirat a une chance d'aller de l'avant. Mais en termes de développement urbain, il semble être à la croisée des chemins. Dans quelques années, tandis que les citoyens de Masdar City utiliseront des kilowattheures et utiliseront des urinoirs sans eau, des go-karts hurleront autour d'une nouvelle piste dans un parc à thème Ferrari à proximité, les enfants crieront en dévalant les toboggans aquatiques à un nouveau parc aquatique et des climatiseurs massifs rugiront en refroidissant un nouveau centre commercial de 700 magasins. Tout cela fait partie d'un développement de 2 500 hectares qui éclipsera les 640 hectares de Masdar City.

Les deux développements sont des visions concurrentes pour l'avenir d'Abou Dhabi. Si le projet Masdar ne se justifie pas financièrement, il pourrait en effet n'être qu'un terrain de jeu vert pour les riches, un parc à thème environnemental qui n'est en grande partie pas pertinent pour le développement de technologies durables à plus grande échelle. Mais s'il est rentable, il pourrait être un moteur d'aménagement urbain durable. Ensuite, les développeurs riches en pétrole des Émirats arabes unis et d'ailleurs pourraient avoir une raison de construire plus de villes vertes et d'éviter de construire une autre piste de ski dans le désert. Et les développeurs du monde entier suivront.

Kevin Bullis est Examen de la technologie Éditeur d'énergie.

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