Rénovations respectueuses du climat grâce à la paille et au chanvre

La Suisse compte près de 1,8 million de bâtiments résidentiels et un million de bâtiments non résidentiels. Ensemble, ils représentent environ 40% de la demande d'énergie finale du pays. Les bâtiments représentent un levier essentiel pour faire progresser la Suisse vers la neutralité climatique : bien plus de la moitié des bâtiments sont encore chauffés à l'aide de combustibles fossiles tels que le pétrole et le gaz. De plus, la grande majorité d'entre eux ont été construits à une époque où les normes d'efficacité énergétique n'existaient pas encore et beaucoup ont désespérément besoin d'être rénovés pour les rendre plus efficaces sur le plan énergétique.

Prendre en compte le cycle de vie d'un bâtiment

Les rénovations traditionnelles sont axées sur la consommation d'énergie et comportent deux mesures principales : l'isolation de l'enveloppe d'un bâtiment pour réduire sa consommation d'énergie et le remplacement des systèmes de chauffage à combustible fossile pour promouvoir l'utilisation des énergies renouvelables. À la lumière du changement climatique, une attention accrue est accordée à la question de savoir comment rénover un bâtiment pour s'assurer que ses émissions de gaz à effet de serre sont aussi faibles que possible tout au long de son cycle de vie.

À l'ETH Zurich, le département d'ingénierie civile, environnementale et géomatique a passé des années à étudier ce sujet. Une étude récente de Guillaume Habert, professeur de construction durable, et de Bruno Sudret, professeur de quantification des risques, de la sécurité et des incertitudes, apporte de nouvelles réponses. Cette étude a été réalisée en collaboration avec la Haute école spécialisée de Suisse occidentale (Yverdon) et la Chalmers University of Technology (Göteborg). Elle a été publiée le 13 mars 2024 dans la revue Nature Communications.

Remplacement du chauffage et de l'isolation

L'étude se concentre sur six bâtiments qui n'ont pratiquement pas été rénovés depuis leur construction entre 1911 et 1988. Ces bâtiments ont été sélectionnés de manière à constituer un échantillon représentatif de l'ensemble des bâtiments suisses. Pour chacun de ces immeubles, les chercheuses et chercheurs ont calculé le volume d'émissions de gaz à effet de serre qui résulterait de diverses mesures de rénovation au cours du cycle de vie de 60 ans du bâtiment (à partir du moment de la rénovation). Ils et elles ont notamment examiné le remplacement du système de chauffage existant par un système fonctionnant au gaz, aux granulés de bois ou par une pompe à chaleur. Un autre aspect a été l'installation de couches d'isolation de différentes épaisseurs, utilisant à la fois des matériaux d'isolation conventionnels (EPS, fibre de verre, laine minérale, fibres de cellulose) et des matériaux d'isolation fabriqués à partir de plantes à croissance rapide (paille, chanvre).

La prise en compte du matériau de construction est importante car les différents processus de fabrication varient considérablement en termes de besoins énergétiques et donc d'émissions de gaz à effet de serre. «Les émissions de CO₂ provenant de la fabrication des matériaux d'isolation conventionnels peuvent être très élevées, parfois suffisamment pour annuler les effets positifs qu'ils ont sur la consommation d'énergie lorsqu'ils sont utilisés dans le cadre de la rénovation d'un bâtiment», explique Guillaume Habert. Les matériaux de construction fabriqués à partir de matières premières renouvelables sont responsables d'émissions de gaz à effet de serre beaucoup plus faibles. De plus, ils offrent l'avantage supplémentaire d'absorber le CO₂ de l'atmosphère pendant leur croissance et de le stocker à long terme dans le bâtiment.

Une réduction de 87% des gaz à effet de serre

Les calculs des émissions de gaz à effet de serre d'un bâtiment sur un cycle de vie de 60 ans montrent que le moyen le moins coûteux et le plus efficace de réduire ces émissions est de remplacer les systèmes de chauffage au mazout et au gaz. En outre, l'utilisation de matériaux d'isolation d'origine biologique est également une priorité absolue. «Nos résultats montrent, sur la base de nos hypothèses, que les bâtiments suisses pourraient réduire leurs émissions de gaz à effet de serre de 87%, principalement en passant aux pompes à chaleur ou aux granulés de bois, mais aussi en utilisant des matériaux de construction biosourcés tels que les bottes de paille, les nattes de chanvre et le béton de chanvre», explique Alina Galimshina, décrivant l'un des principaux résultats de l'étude, qui repose en grande partie sur la thèse de doctorat qu'elle a rédigée à l'ETH Zurich.

Alina Galimshina a imaginé une méthode innovante pour calculer les émissions de gaz à effet de serre et les coûts (d'investissement, d'exploitation et de maintenance) sur l'ensemble du cycle de vie. En effet, le choix de la bonne stratégie de rénovation dépend en grande partie des évolutions futures telles que l'augmentation des températures ambiantes résultant du changement climatique, mais aussi des prix de l'énergie, de l'empreinte carbone de l'électricité du réseau, du comportement des utilisateurs et d'autres facteurs. L'étude tient compte de ces incertitudes en utilisant des outils mathématiques appropriés. Les modèles de calcul pour l'évaluation des critères du cycle de vie nécessitent beaucoup de temps de calcul. Pour réduire l'effort de calcul nécessaire, l'équipe a utilisé l'apprentissage automatique pour développer un modèle de substitution. «Grâce à ce modèle de substitution, nous avons pu optimiser les différents paramètres liés aux options de rénovation potentielles tout en tenant compte des incertitudes liées aux prix de l'énergie, à l'empreinte carbone de l'électricité du réseau et aux températures ambiantes», explique Bruno Sudret. Cette optimisation a été rendue possible grâce à l'outil logiciel UQLab, développé par son groupe et utilisé pour quantifier les incertitudes dans les modèles prédictifs de diverses disciplines depuis 2015, et développé pour ce projet.

Mettre les résultats en pratique

Aujourd'hui, tout le monde parle de la nécessité de remplacer les systèmes de chauffage à base de combustibles fossiles, mais l'utilisation de matériaux de construction biosourcés tels que la paille et le chanvre n'en est encore qu'à ses balbutiements. Ces matériaux sont accueillis avec scepticisme par les professionnels du bâtiment, car ils nécessitent parfois une isolation plus épaisse et soulèvent des questions sur l'humidité et la sécurité incendie. Un autre sujet brûlant est le coût élevé des rénovations qui utilisent des isolants biosourcés, bien que les critiques soient connues pour ignorer les réductions correspondantes des coûts d'exploitation.

Compte tenu de ces aspects, l'équipe de recherche s'est fixé pour objectif de partager les résultats de ses travaux avec les planificatrices et planificateurs, les architectes et d'autres experts et expertes de la construction. Ces efforts, qui font partie d'un projet en cours soutenu par le programme Agora du Fonds national suisse de la recherche scientifique, comprennent des forums de discussion et une enquête auprès d'expertes et experts du secteur de la construction. Parallèlement, un site web est en cours de création. Il propose un logiciel permettant de comparer le degré de respect du climat de différentes stratégies de rénovation.