Power Shift est la série en cours de Gizmodo réalisée par Ellyn Lapointe, qui explore les avancées des technologies vertes, en mettant l’accent sur les énergies renouvelables, la modernisation du réseau et la réduction des émissions.
Alors que les émissions de carbone poussent la température moyenne de la Terre vers des sommets inédits et provoquent des vagues de chaleur sans précédent, la dépendance humaine à l’égard de la climatisation ne cesse de croître. Le problème, c’est que la climatisation consomme d’énormes quantités d’énergie et—du fait de la poursuite mondiale des combustibles fossiles—elle émet beaucoup de CO2.
Surmonter cette boucle de rétroaction représente un défi d’ingénierie important qui devient de plus en plus urgent à mesure que la planète se réchauffe. Voici le refroidissement passif: des approches non mécaniques visant à abaisser les températures intérieures.
Cela n’est certainement pas un concept nouveau. Le refroidissement passif repose sur des techniques architecturales utilisées pendant des siècles dans les régions plus chaudes, bien que les scientifiques améliorent ces méthodes avec des matériaux et technologies modernes. Plusieurs ont accompli des avancées impressionnantes ces dernières années, mais chaque stratégie présente ses propres avantages, compromis et limites.
Dans une revue publiée plus tôt ce mois-ci dans la revue Nature Reviews Clean Technology, des chercheurs ont évalué les avancées dans diverses techniques de refroidissement passif à différents stades de développement et de déploiement. Ils ont constaté que les technologies avancées de refroidissement passif peuvent réduire les températures urbaines maximales jusqu’à 6,75 degrés Fahrenheit (4,5 degrés Celsius), réduisant considérablement la demande de refroidissement mécanique.
« Sans intervention, la demande de refroidissement devrait devenir l’un des usages énergétiques à la croissance la plus rapide dans le monde, » a déclaré à Gizmodo par courriel Matthaios Santamouris, professeur distingué d’architecture hautes performances à l’Université de New South Wales. « Notre revue soutient que le refroidissement passif devrait être envisagé comme la première ligne de défense, réduisant de manière significative les charges de refroidissement avant même que les systèmes mécaniques ne soient nécessaires. »
La climatisation sous haute pression
Selon Santamouris et ses coauteurs, le refroidissement représente actuellement près de 10 % de la consommation mondiale d’électricité et d’ici 2050, l’électricité nécessaire pour refroidir les bâtiments dans le monde devrait augmenter de 210 % par rapport au niveau de 2024, tandis que les émissions de gaz à effet de serre liées à la climatisation devraient tripler sur la même période.
« Le refroidissement passif à lui seul ne résoudra pas le changement climatique, mais il peut contribuer de manière substantielle à la fois à l’atténuation et à l’adaptation climatiques, » a-t-il déclaré. De plus, son développement à grande échelle pourrait offrir un accès plus équitable au refroidissement, car le coût de la climatisation est souvent inaccessible pour les populations à faible revenu qui sont particulièrement vulnérables à la chaleur extrême.
Les chercheurs ont évalué les avancées dans le contrôle solaire intelligent, la ventilation, le refroidissement radiatif, le refroidissement évaporatif et les systèmes hybrides. Le premier vise à réduire la chaleur solaire entrante dans un bâtiment. Aujourd’hui, cette approche s’appuie sur des systèmes d’ombrage avancés, des surfaces réfléchissantes, du vitrage qui bloque certains rayonnements solaires et des matériaux intelligents qui changent de couleur en fonction des fluctuations de température pour contrôler la quantité de chaleur qu’ils absorbent. Selon Santamouris, les principaux obstacles à l’essor de cette approche sont des coûts initiaux plus élevés, une sensibilisation limitée et le rythme lent des rénovations des bâtiments existants.
La ventilation utilise l’air extérieur pour évacuer la chaleur intérieure. Traditionnellement, elle s’appuie sur le vent et sur des forces de flottabilité, mais de nouvelles approches combinent des commandes intelligentes et des systèmes de ventilation personnalisés, a expliqué Santamouris. Cependant, « sa principale limite est qu’elle dépend fortement des conditions extérieures, » a-t-il déclaré. « Lors des vagues de chaleur, lorsque l’air extérieur est aussi chaud, le potentiel de refroidissement diminue de manière significative. »
Le refroidissement radiatif fonctionne en émettant de la chaleur depuis les surfaces des bâtiments vers l’espace. Il utilise des matériaux de construction qui reflètent la majeure partie du rayonnement solaire entrant tout en émettant efficacement la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge à travers la « fenêtre atmosphérique », qui permet à ce rayonnement de traverser sans être bloqué ou absorbé par les gaz. Le refroidissement radiatif était auparavant limité à une utilisation nocturne, mais les avancées récentes dans les nanomatériaux ont rendu possible son utilisation en journée, selon Santamouris. Cependant, les matériaux haute performance ne sont pas encore produits à l’échelle nécessaire pour une adoption massive.
Le refroidissement évaporatif exploite l’effet de refroidissement lié à l’évaporation de l’eau. Il existe plusieurs types de systèmes de refroidissement évaporatif, mais le refroidissement évaporatif direct—which fait passer l’air à travers des panneaux imbibés d’eau—is le plus couramment utilisé dans les environnements domestiques. Bien qu’il puisse être très efficace et nécessite très peu d’énergie, son efficacité diminue dans des conditions humides, a expliqué Santamouris.
Enfin, les systèmes hybrides intègrent plusieurs mécanismes de refroidissement afin de maximiser les performances dans des conditions climatiques variables. « Ces systèmes sont particulièrement prometteurs car ils peuvent surmonter certaines faiblesses des technologies individuelles », a déclaré Santamouris. Les systèmes radiatifs-évangés peuvent par exemple être plus résistants à l’humidité que des systèmes purement évaporatifs, par exemple. « Le défi réside dans la complexité, le coût et la nécessité de projets de démonstration à grande échelle supplémentaires », a-t-il ajouté.
L’avenir du refroidissement
À mesure que les températures et les niveaux d’humidité augmentent, les technologies avancées de contrôle solaire et les systèmes de refroidissement radiatif devraient probablement émerger comme les principales stratégies de refroidissement passif, en plus des systèmes hybrides. Ces changements climatiques accroîtront les limites du refroidissement évaporatif et de la ventilation, bien qu’ils puissent encore s’avérer efficaces dans les parties plus froides et plus sèches du monde.
Mais le principal obstacle à l’extension du refroidissement passif n’est pas technique, explique Santamouris. La plupart de ces technologies existent déjà et sont éprouvées, mais leur intégration dans les pratiques de construction courantes, les réglementations, les mécanismes de financement et l’aménagement urbain représente un défi majeur, a-t-il ajouté.
Selon les conclusions de sa revue, les bénéfices pourraient valoir largement l’effort. Selon le climat local, le type de bâtiment et les technologies de refroidissement impliquées, les mesures passives peuvent réduire considérablement la demande d’énergie pour le refroidissement — dans certains cas de plus de la moitié. « Déployées à grande échelle dans les villes, elles se traduisent par d’importantes réductions de la consommation d’électricité, de la demande de pointe et des émissions de gaz à effet de serre associées », a déclaré Santamouris.
Cependant, il faudra encore longuement du temps pour y parvenir. En attendant, « il y a beaucoup de choses que nous pourrions faire avec des technologies très simples et que nous n’utilisons pas », a déclaré Alexandra Rempel, professeure associée en design environnemental à l’Université de l’Oregon, à Gizmodo. Elle soutient que bien que les technologies de refroidissement passif de pointe soient stimulantes, il existe de nombreuses stratégies efficaces qui sont facilement accessibles.
Ombrager les fenêtres orientées est-est le matin et les fenêtres orientées ouest l’après-midi peut faire une différence significative, a expliqué Rempel. L’ombrage extérieur des fenêtres est particulièrement efficace car il bloque la chaleur solaire avant qu’elle n’entre dans la maison. Son groupe de recherche développe même une application qui surveille les conditions intérieures et indique aux utilisateurs quand il est temps d’ombrager leurs fenêtres.
« L’intégration du refroidissement passif avec des systèmes domestiques intelligents est à l’horizon, » a déclaré Rempel.
Elle a également mis l’accent sur l’utilisation de stratégies d’écoulement d’air simples, peu énergivores. « Je suis une grande fan des ventilateurs, » a déclaré Rempel. Bien qu’ils n’abaisseront pas réellement les températures de l’air, ils donnent l’impression aux gens d’avoir moins chaud en facilitant l’évaporation de la sueur sur la peau. De plus, les utiliser la nuit peut faire circuler efficacement l’air plus frais dans toute la maison.
Bien qu’il soit inévitable que la demande de climatisation continue de croître à mesure que le monde se réchauffe, une adoption plus large du refroidissement passif pourrait réduire considérablement cette progression, abaisser la demande d’électricité, diminuer les émissions, réduire la pression sur le réseau et rendre le refroidissement plus équitable. « L’objectif n’est pas d’éliminer la climatisation, mais de veiller à ce que nous ne dépendions pas entièrement d’elle, » a déclaré Santamouris. « Comme nous le constatons dans la revue, nous ne pouvons pas déjouer le changement climatique en climatisant tout notre environnement. »
