L'énergie solaire peut-elle alimenter toutes les maisons européennes ?

Dans un monde de plus en plus conscient de l’importance de l’énergie renouvelable, une étude récente a révélé que 53% des maisons individuelles en Europe auraient pu satisfaire tous leurs besoins énergétiques en 2020 en utilisant uniquement le rayonnement solaire local. Cette faisabilité technique pourrait augmenter à 75% en 2050.

L’étude montre toutefois qu’il n’y a pas d’avantage économique pour les ménages à être totalement autosuffisants dans les conditions actuelles ou futures, bien que dans certains cas, les coûts soient comparables à ceux de rester connecté au réseau.

L’autosuffisance : une réalité technique mais pas économique

Publiée dans la revue Joule, l’étude estime que l’autosuffisance sera économiquement réalisable pour 5% (deux millions) des 41 millions de maisons individuelles en Europe en 2050, si les ménages sont prêts à payer jusqu’à 50% de plus que le coût de rester totalement dépendants du réseau.

« Nos résultats montrent que même en 2050, se déconnecter du réseau ne sera pas le choix le plus économique, mais il pourrait être judicieux d’investir dans ce type de bâtiments autosuffisants si vous êtes prêt à payer plus pour l’autosuffisance », commente l’auteur principal, Max Kleinebrahm, chercheur en économie de l’énergie à l’Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne.

Les coûts de l’énergie du réseau augmentent tandis que la technologie de l’énergie renouvelable devient de plus en plus abordable. Dans la quête de l’autosuffisance, de plus en plus de ménages s’intéressent à la production de leur propre énergie renouvelable.

L’équipe de Kleinebrahm voulait savoir dans quelle mesure il serait possible pour les bâtiments résidentiels individuels dans différentes parties de l’Europe de devenir totalement autosuffisants, et si cela comporterait des avantages financiers.

*Évaluation du potentiel d’autosuffisance de 41 millions de foyers européens.* Crédit : Joule/Kleinebrahm et al.

Une étude à l’échelle des bâtiments individuels

Bien que le potentiel de conversion de l’Europe à 100% d’énergie renouvelable ait été envisagé à l’échelle continentale, nationale et régionale, cette étude est la première analyse au niveau des bâtiments individuels. Pour identifier les régions et les types de bâtiments qui sont plus propices à l’autosuffisance, les chercheurs ont compilé une base de données de maisons à travers l’Europe et ont identifié 4 000 maisons qui étaient représentatives de différentes régions en termes d’architecture, de demande d’électricité des ménages, de conditions climatiques et de cadre économique local.

**Aperçu du cadre développé dans cette étude pour calculer le potentiel des bâtiments résidentiels autosuffisants dans l’UE-27, au Royaume-Uni et en Norvège**.
Dans un premier temps, une base de données a été créée en collectant des informations spatialement résolues sur les caractéristiques du parc immobilier et les attributs pertinents pour le système énergétique. Ensuite, la microsimulation spatiale a été utilisée pour intégrer les attributs dans un parc immobilier synthétique. Dans un troisième temps, des bâtiments représentatifs d’une grappe ont été dérivés à l’aide d’une approche de regroupement par k-moyennes. Ensuite, des systèmes énergétiques résistants aux conditions météorologiques ont été calculés pour les bâtiments représentatifs à l’aide d’une grappe à haute performance. Enfin, les résultats de l’optimisation du système énergétique ont été transférés à l’ensemble du parc immobilier synthétique européen à l’aide d’un modèle de substitution pour estimer les indicateurs clés de performance (ICP).

Ensuite, les chercheurs ont conçu des systèmes énergétiques optimaux pour chaque maison représentative qui couvriraient entièrement les besoins en énergie électrique et thermique tout en minimisant les coûts. Ces systèmes comprenaient des mesures telles que des panneaux solaires sur les toits, des petites éoliennes, différents types de systèmes de stockage, l’installation de pompes à chaleur, et des mesures de rénovation et d’isolation.

Des résultats prometteurs mais des défis économiques

Les chercheurs ont ensuite extrapolé leurs résultats pour estimer la faisabilité technique et économique de l’autosuffisance énergétique pour les 41 millions de maisons individuelles en Europe. Dans l’ensemble, ils ont estimé que 53% des maisons auraient pu techniquement atteindre l’autosuffisance énergétique en 2020, et que cette proportion pourrait augmenter à 75% d’ici 2050 avec les améliorations attendues des technologies d’énergie renouvelable et de stockage.

**Potentiel économique et coût des bâtiments unifamiliaux autosuffisants en Europe**.
(A) et (B) montrent la distribution géospatiale du coût total annuel moyen du système (TAC) pour toutes les régions NUTS3 pour le scénario Gridref (A) et le scénario NoGridref (B). La part moyenne en pourcentage du coût supplémentaire de l’approvisionnement énergétique autonome par région NUTS3 par rapport au scénario Gridref est indiquée en (C). En (D), les distributions du coût supplémentaire pour l’autosuffisance par pays pour chaque SFB sont montrées pour le scénario NoGridref en 2020 et 2050. Les pays sont classés par coût supplémentaire moyen. La part des bâtiments par pays avec un coût supplémentaire < 50 % est considérée comme un potentiel économique étendu et est représentée par des étoiles (seules les parts > 0 % sont représentées).

En revanche, devenir entièrement autosuffisant était plus coûteux que de rester entièrement dépendant du réseau, à la fois en 2020 et en 2050. Les maisons dans les pays européens ensoleillés comme Chypre, Malte et l’Italie ont un potentiel économique plus important pour l’autosuffisance, tandis que les pays du nord de l’Europe comme la Finlande, la Norvège et la Suède (où il y a un grand décalage entre les besoins énergétiques élevés en hiver et le rayonnement solaire) ont le potentiel le plus faible.

**Composants du système énergétique pris en compte dans le modèle d’optimisation**
Les options de gestion de la demande60 et la demande d’électricité pour les véhicules électriques sont incluses dans le modèle mais ne sont pas analysées dans cette étude. F/RT-PV, free-standing/rooftop photovoltaic ; SWT, small wind turbine ; F/RT-ST, free-standing/rooftop solar thermal ; mCHP, micro-combined heat and power ; BS, battery storage ; HP, heat pump ; AC, air conditioner ; HR, heating rod ; EC, electrolyzer ; FC, fuel cell ; H2-S, hydrogen storage ; HS, heat storage ; EV, electric vehicle ; DSM, demand-side management ; Del, electrical demand ; Dth, thermal demand ; th. dist, thermal distribution ; LT, low temperature.

En synthèse

Les régions avec de plus grands toits, comme le Danemark, la Slovénie, les Pays-Bas et la France, ont également un plus grand potentiel pour l’autosuffisance. Les chercheurs ont également noté qu’il y a un plus grand potentiel pour les bâtiments autosuffisants dans les pays où les coûts de l’électricité sur le réseau sont élevés, comme l’Allemagne, car il y a moins d’incitation financière à rester sur le réseau.

**Visualisation de la relation entre les coûts du système énergétique et le degré d’autosuffisance pour un bâtiment allemand représentatif**. Alors que dans (A), seule la demande pour les appareils électriques est prise en compte, dans (B), la demande est élargie à la demande de chauffage pour l’eau chaude sanitaire et à la demande de chauffage des locaux pour maintenir une température intérieure entre 20°C et 26°C. Plusieurs optimisations de systèmes énergétiques sont réalisées, dans lesquelles le prix de l’électricité utilisé pour déterminer la conception du système énergétique est augmenté successivement (de p = 0,01 €/kWh à p = 20 €/kWh). Dans (A), un système de référence avec un approvisionnement à 100 % par le réseau électrique est utilisé à p→0 = 0,01 €/kWh pour calculer le degré d’autosuffisance ; dans (B), une barre de chauffage électrique est installée en même temps qu’un climatiseur. Chaque point coloré représente le résultat d’une optimisation du système énergétique compte tenu du prix d’achat de l’électricité indiqué dans la barre de couleur. Les choix technologiques associés et les tailles des systèmes optimisés mis en évidence figurent dans les tableaux S4 et S5. Les lignes rouges représentent les coûts annuels totaux du système, qui sont calculés sur la base d’un prix d’achat de l’électricité constant de pDE = 0,3 €/kWh au lieu du prix de l’électricité p utilisé dans l’optimisation du système énergétique. Chaque fois que le système énergétique en 2020 est complété par une technologie, la technologie correspondante est affichée avec un numéro de référence. Les coûts sont normalisés en fonction de la surface habitable du bâtiment ou de la demande annuelle totale d’électricité du système Gridref(-el).

Bien que devenir entièrement autosuffisant ne soit pas économiquement avantageux, les chercheurs ont démontré que l’autosuffisance partielle – où un bâtiment reste connecté au réseau électrique mais investit également dans un système photovoltaïque, une pompe à chaleur et une isolation – pourrait réduire les coûts énergétiques des ménages. Le degré optimal d’autosuffisance variait pour différents bâtiments et régions, mais pour un bâtiment représentatif en Allemagne, les chercheurs ont estimé qu’il aurait été optimal d’être à 73% autosuffisant en 2020 et à 78% autosuffisant en 2050.

Les chercheurs notent que les coûts élevés des transporteurs rendent le départ du réseau plus attrayant et disent que les décideurs politiques et les entreprises de services publics devraient encourager même les ménages entièrement autosuffisants à rester connectés au réseau.

**Composition des coûts des systèmes d’approvisionnement énergétique résidentiels**.
Le panneau de gauche (A) illustre la composition des coûts du système énergétique pour 4 000 bâtiments unifamiliaux représentatifs dans l’UE-27, au Royaume-Uni et en Norvège pour le scénario NoGridref. Le panneau de droite (B) présente la progression de la composition des coûts du système énergétique d’un bâtiment unifamilial représentatif en Allemagne au fil du temps jusqu’en 2050 pour tous les scénarios.
Les caractéristiques pertinentes du bâtiment résidentiel, la composition des coûts annuels totaux du système et les émissions de CO2 liées au système énergétique sont présentées. Les coûts du système dans les scénarios NoGrid sont calculés sur la base de 30 années de conditions météorologiques historiques, les croix noires indiquant les coûts du système (valeur de la charge perdue exclue) si une seule année météorologique est utilisée pour la conception du système. Les différences de coûts relatifs par rapport au scénario Gridref sont indiquées par des chiffres au-dessus des barres. Dans les conditions du cadre technico-économique en 2020, la charge est perdue dans les scénarios Gridref et Gridpv, ce qui permet d’établir une distinction entre la valeur moyenne (moy.) et la valeur maximale (max.) de la charge perdue sur les 30 années météorologiques.

« À une échelle macroéconomique, il serait moins efficace d’avoir un grand nombre de ménages abandonnant le réseau plutôt que de le soutenir », précise Max Kleinebrahm. Étant donné que les coûts de soutien du réseau sont partagés entre les utilisateurs, il y a aussi la possibilité que les coûts du réseau augmentent davantage à mesure que les ménages choisissent de quitter le réseau.

« Du point de vue social, il faut envisager la possibilité que des ménages très riches se déconnectent du réseau, auquel cas le reste de l’exploitation du réseau devrait être payé par des ménages économiquement plus faibles », conclut le chercheur.

Cette étude ne peut pas répondre aux questions sur l’impact que le nombre croissant de maisons autosuffisantes aurait sur la demande d’électricité et les marchés de l’électricité, mais les chercheurs prévoient d’aborder ces sujets à l’avenir.

**Potentiel technique des bâtiments unifamiliaux autosuffisants en Europe**.
Visualisation de la part des bâtiments unifamiliaux autosuffisants techniquement réalisables dans les régions NUTS3 en Europe pour 2020 (A) et 2050 (C) pour le scénario NoGridref. Dans les parties droites des figures (B) et (D), la composition moyenne pondérée par bâtiment du coût annuel total par composant du système énergétique et la valeur de la perte de charge sont indiquées avec le potentiel technique spécifique au pays. Chaque bâtiment résidentiel autosuffisant techniquement réalisable du parc immobilier synthétique se voit attribuer la composition du TAC du représentant du groupe correspondant et, sur cette base, la composition moyenne par pays est calculée.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que l’autosuffisance énergétique ?

L’autosuffisance énergétique fait référence à la capacité d’un bâtiment ou d’un ménage à produire toute l’énergie dont il a besoin, généralement à partir de sources renouvelables comme le solaire ou l’éolien, sans avoir à se connecter au réseau électrique.

2. Quel est le potentiel d’autosuffisance énergétique des maisons individuelles ?

Une étude récente a révélé que 53% des maisons individuelles en Europe auraient pu satisfaire tous leurs besoins énergétiques en 2020 en utilisant uniquement le rayonnement solaire local. Cette faisabilité technique pourrait augmenter à 75% en 2050.

3. L’autosuffisance énergétique est-elle économiquement viable ?

Actuellement, il n’y a pas d’avantage économique pour les ménages à être totalement autosuffisants. Cependant, dans certains cas, les coûts sont comparables à ceux de rester connecté au réseau. L’étude estime que l’autosuffisance sera économiquement réalisable pour 5% des maisons individuelles en Europe en 2050, si les ménages sont prêts à payer jusqu’à 50% de plus que le coût de rester totalement dépendants du réseau.

4. Quels sont les facteurs qui influencent le potentiel d’autosuffisance énergétique ?

Plusieurs facteurs influencent le potentiel d’autosuffisance énergétique, notamment la taille du toit (pour les panneaux solaires), les conditions climatiques, les coûts de l’électricité sur le réseau et le cadre économique local.

5. Quels sont les avantages de l’autosuffisance partielle ?

Devenir entièrement autosuffisant peut ne pas être économiquement avantageux, mais l’autosuffisance partielle – où un bâtiment reste connecté au réseau électrique mais investit également dans un système photovoltaïque, une pompe à chaleur et une isolation – pourrait réduire les coûts énergétiques des ménages.

Source : Kleinebrahm, M. et al. (2023). Energy self-sufficiency in European single-family homes. Joule.

Joule, Kleinebrahm et al., “Two million European single-family homes could abandon the grid by 2050” https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00402-6

Newsletter Enerzine