TECHNOPHILE

Efficacité énergétique: quand les bénéfices se mettent au vert

Contrairement aux idées reçues, le développement durable peut aussi s’avérer bon pour les affaires. Démonstration avec quatre projets européens innovants et économiques.

Les besoins énergétiques de la planète sont censés exploser si l’on se fie aux projections qui tablent sur une population mondiale de 9,7 milliards d’individus en 2050 et à la multiplication du PIB par habitant par deux. Mais, bonne nouvelle pour la planète, l’efficacité énergétique devrait elle aussi doubler durant la même période, selon un rapport publié par McKinsey en 2016. Toujours plus de produits, outils et processus innovants voient en effet le jour pour améliorer l’efficacité énergétique de nos activités, avec, à la clé, une diminution de notre impact environnemental et un gain financier de taille.

Si certains secteurs économiques ont tardé à le comprendre, la majorité s’accorde aujourd’hui à dire que l’efficacité énergétique profite aux affaires. Dans la vente au détail par exemple, une réduction de 20% des coûts énergétiques peut équivaloir à une hausse de 5% des ventes en termes de bénéfices nets. Présentation de quatre initiatives européennes, depuis des concepts les plus ambitieux et coûteux jusqu’à des solutions basées sur de simples algorithmes d’apprentissage automatique.
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Les puces en 3D, une technologie qui s’échauffe

Les trafics de données depuis et vers le cloud explosent, entraînant des coûts énergétiques importants. Le centre EcoCloud de l’EPFL recherche des solutions pour en limiter l’impact écologique.

Amazon Web Services, l’un des premiers fournisseurs de cloud computing, a augmenté chaque jour de 2014 sa capacité de stockage autant qu’en une décennie auparavant. Les centres de données absorbent aujourd’hui environ 3% de l’électricité mondiale. En 2015, ils ont consommé plus de 400 térawattheures, soit davantage que la consommation annuelle en électricité de tout le Royaume-Uni.

EcoCloud, le centre de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) dédié au cloud computing durable, s’est donné pour mission de relever ce défi énergétique, et notamment de penser de nouvelles générations de processeurs compatibles avec les innovations en matière de refroidissement, de gestion de l’énergie et de stockage de données, le tout en vue d’améliorer l’efficacité énergétique des centres de données.

L’efficacité d’un centre de données dépend largement de celle de ses processeurs. Si la capacité des processeurs double tous les deux ans depuis 1965, nous nous heurtons aujourd’hui aux limites de la physique fondamentale: les puces ont presque atteint leur taille minimale. EcoCloud vise entre autres à les doter d’un vaste «système sur une puce» (SoC) en 3D. Les puces sont habituellement disposées en 2D sur la carte mère. Placer les puces à la verticale et à l’horizontale permet de réduire la distance moyenne entre les composants, les rendant 10 fois plus rapides et divisant leurs besoins en électricité par quatre.

Cette configuration produit malheureusement plus de chaleur. Or le refroidissement est déjà laborieux pour les puces simples: il représente jusqu’à 30% de la consommation énergétique des anciens centres de données. Une architecture de processeur en 3D ne peut que compliquer la situation. «La température des cartes mémoires disposées dans un SoC en 3D se maîtrise aisément grâce à un système de refroidissement à air, explique Thomas Brunschwiler, chercheur chez IBM. Avec une densité de puissance jusqu’à dix fois plus élevée, les cœurs des processeurs produisent bien plus de chaleur, surtout dans un SoC en 3D, et requièrent donc des technologies plus sophistiquées.»

Pour éviter la surchauffe, les chercheurs d’EcoCloud ont créé des microcanaux mesurant 50 à 100 microns (épaisseur d’un cheveu humain) avec des techniques de microfabrication de pointe. En faisant circuler un liquide de refroidissement dans ces microcanaux entre les différentes couches, ils pourraient évacuer la chaleur des processeurs.

«Se débarrasser des gros équipements frigorifiques classiques pourrait faire baisser la consommation d’énergie des centres de données de 30% à 5% environ. Mais installer un système de refroidissement par liquide est une meilleure option, car la chaleur évacuée pourrait être acheminée vers les maisons dans les régions froides», ajoute Thomas Brunschwiler. Le système de refroidissement à deux phases d’EcoCloud serait encore plus efficace, car il utilise à la place de l’eau un fluide frigorigène, qui forme des bulles évacuant à merveille la chaleur. «Cette solution permet de dissiper la chaleur à un niveau inégalé», résume Babak Falsafi, directeur et fondateur d’EcoCloud. Le refroidissement à deux phases constitue en outre une approche plus sûre que le refroidissement à eau, puisque le fluide frigorigène n’est pas un conducteur électrique.


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Economies de haut vol

OptiClimb est un nouvel outil permettant aux pilotes d’avion d’économiser du carburant au moment de cabrer l’appareil et ce, grâce aux données de vols et à l’apprentissage automatique.

Le carburant représente 30% des coûts opérationnels des compagnies aériennes. Rien d’étonnant, donc, à ce que les constructeurs aéronautiques et fabricants de moteurs s’échinent à rendre leurs produits moins gourmands en carburant. Un changement opérationnel relativement simple, mais inédit, permet d’accélérer encore ces économies.

Lors de la phase de montée, juste après le décollage, les avions gardent une vitesse constante jusqu’à atteindre leur altitude de croisière. Lorsque Pierre Jouniaux, ancien pilote, ingénieur aérospatial et désormais PDG de Safety Line, une société proposant des solutions pour améliorer l’efficacité et la sécurité du transport aérien, s’est aperçu que la consommation de carburant en montée pouvait varier de 10% entre deux appareils de même modèle, il s’est lancé dans l’optimisation des procédés.

Safety Line s’est associée à l’Institut national de recherche en informatique et en automatique (France) pour créer OptiClimb, un outil d’optimisation qui analyse des données en temps réel et historiques sur le modèle, le poids et l’âge de l’avion, grâce à des algorithmes d’apprentissage automatique. En prenant en compte les données météorologiques, OptiClimb définit le profil de montée optimal pour chaque vol et fournit une trajectoire très précise. Ne nécessitant aucun équipement supplémentaire, il est facile à installer sur les aéronefs en service.

Les avions dans le monde produisent plus de 780 millions de tonnes de CO2, soit 2% des émissions carbone résultant d’activités humaines. Pendant la montée, les moteurs tournent à plein régime et consomment beaucoup de carburant, d’où l’utilité d’OptiClimb. Lors des premiers essais, Transavia France (filiale d’Air France) a vu sa consommation diminuer en moyenne de 5% en montée, soit une économie de 60’000 à 70’000 € par an pour un Boeing 747. «Je suis étonné que cela n’ait pas été fait plus tôt, confie Tim Coombs, expert énergétique de l’Université de Cambridge. Tous les constructeurs veulent développer leurs produits de manière à optimiser les phases coûteuses. Il devient donc évident d’exploiter les données propres à chaque vol.»
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Transport maritime durable

Le navire marchand de Terje Lade fonctionne comme une aile d’avion. Le pouvoir du vent l’aide à avancer et permet une baisse de la consommation de carburants de 60%.

Le transport aérien se trouve souvent sous le feu des critiques, alors que c’est le fret maritime qui cumule 90% des marchandises acheminées sur la planète. Il engendre 2,5% des émissions de gaz à effet de serre mondiales, selon l’Organisation maritime internationale. En outre, le dioxyde de soufre rejeté par les navires est en grande partie responsable de l’acidification des océans. Le commerce maritime est peut-être réticent au changement, mais pas les multinationales qui expédient leurs produits et dont beaucoup font de la durabilité une priorité. Si ces dernières définissent des quotas d’émissions, le secteur devra s’adapter. Dans cette logique, Terje Lade a imaginé un bateau qui ne dépend pas de fiouls lourds.

Inspiré de l’aérospatial, le Vindskip est propulsé par le vent. La partie émergée de la coque en forme de foil symétrique génère une force aérodynamique qui tire le navire vers l’avant. La partie immergée génère une force équivalente lui permettant de maintenir son cap. Ce principe de compensation, associé au «vent apparent» (somme vectorielle du vent réel et du vent relatif créé par le mouvement du bateau), déclenche le mouvement vers l’avant à la manière des ailes qui soulèvent l’avion au décollage. La coque agit comme une voile et assure la propulsion du navire pendant plus de la moitié du trajet, même lorsqu’il ne se trouve plus dans l’axe du vent. La contribution du vent n’étant pas constante, un cruise-control prendra le relais avec une propulsion au gaz naturel liquéfié. Le navire sera donc équipé d’un double système de propulsion dynamique. «La faiblesse des avions et navires est qu’ils ne disposent généralement que d’un système de propulsion, sans possibilité de l’optimiser selon les situations», explique Tim Coombs.

Selon Terje Lade, ce modèle pourrait réduire la consommation de fioul d’environ 60%, soit une économie annuelle de 2,4 millions de dollars par rapport à un transporteur classique, et les émissions de près de 80%. Lors de simulations virtuelles en vent de face, le phénomène de traînée du navire — une résistance qui engendre une plus haute demande énergétique — s’est révélé très faible. La Tesla Model S affiche un coefficient de traînée de 0,24, le meilleur du marché automobile. Celui du Vindskip ne dépasse pas 0,19, une performance époustouflante.

Un module de routage permettra enfin de pondérer les données météorologiques afin de calculer et choisir l’itinéraire exploitant au mieux le potentiel éolien. Le navire devra encore être perfectionné, notamment quant à sa capacité à évoluer dans des conditions de tempête réelles. «Les systèmes de données météorologiques en temps réel ne cessent de se développer et les modèles météorologiques sont de plus en plus sophistiqués», déclare Tim Coombs.
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Des solutions en béton pour le bâtiment

Un nouvel adjuvant pour béton accélère le processus de durcissement et fortifie le produit final. Dans certains cas, les coûts de construction pourraient être divisés par deux.

La fabrication du béton représente environ 17% de l’énergie utilisée pour produire les matériaux de construction, et plus de 5% des émissions mondiales de CO2. Pourtant, elle a peu évolué depuis son invention il y a deux siècles.

Ne nous y trompons pas, produire du béton de qualité est tout un art. Comme les matières premières utilisées ne réagissent pas de la même manière d’un lot à l’autre, un certain nombre d’adjuvants est généralement ajouté pour obtenir un bon résultat. Nanogence, une start-up lancée à l’EPFL, a développé un adjuvant garantissant à lui seul un béton d’excellente qualité.

Le ratio eau/ciment est déterminant pour la solidité du béton. Un ratio trop élevé entraîne un excès de pores nanoscopiques et le fragilise. L’adjuvant de Nanogence réduit la porosité et le risque que le fer présent dans le béton n’entre en contact avec l’humidité. «Ce contact est fatal pour le béton et endommage à coup sûr la structure», indique Abhishek Kumar, expert en nanomatériaux et fondateur de Nanogence.

La start-up suscite déjà un vif intérêt sur le marché et devrait lancer sa production en septembre. Lorsque le béton est le principal matériau du projet, l’adjuvant permet aux constructeurs de bâtir des murs plus fins qui prennent plus rapidement et tiennent plus longtemps. Un avantage qui, selon les estimations du fondateur, réduirait de 20 à 50% les besoins en énergie du projet (dont travaux et réparations sur site).

Etant donné que plus de 30 milliards de tonnes de béton sont produites chaque année, un gain en efficacité énergétique, même modeste, pourrait avoir un impact environnemental considérable. Marteen De Groote, directeur de la recherche au Buildings Performance Institute Europe, rappelle toutefois que les matériaux de construction ne sont qu’une partie de l’équation: «Dans le cas de bâtiments dépourvus d’efficacité énergétique, réduire les besoins en énergie lors de la fabrication peut être inutile. Cela concerne plutôt les bâtiments modernes dont la consommation d’énergie est quasi nulle.»

«La tendance est à la préfabrication en matériaux légers, ajoute-t-il. Nous guettons la réaction de l’industrie du béton: développera-t-elle des produits assemblés ou s’en trouvera-t-elle menacée?»
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Une version de cet article est parue dans le magazine Technologist (no 13).

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