Communication - PRES en cours
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Forme urbaine et impact climatique du secteur résidentiel Laure LAMPIN, Fabio GRAZI, CIRED, Paris Décembre 2009 Introduction A l’heure actuelle, réduire les consommations énergétiques constitue un enjeu national doublement essentiel, tout d’abord pour diminuer les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) associées et ainsi diminuer l’impact sur le climat, mais également pour limiter la dépendance énergétique et la vulnérabilité à la raréfaction des ressources. La mise en œuvre des décisions internationales se heurte aux difficultés de traduction des objectifs en actions concrètes de réduction des émissions. L’enjeu que représentent les villes dans la lutte contre le changement climatique est double : lieux de concentration des populations et des activités polluantes (UN 2009; IEA 2008a), elles constituent également, par leur structure, des systèmes privilégiés pour l’expérimentation de politiques climatiques complémentaires de réduction d’émissions sectorielles. En effet, les compétences des autorités locales, allant des décisions d’investissement pour les infrastructures à la planification urbaine, confèrent aux gouvernements locaux une flexibilité et un fort pouvoir d’action sur l’économie à travers le développement urbain, et notamment la demande de transport et de bâtiment. Ces secteurs, principaux contributeurs en termes d’émissions de GES, engendrent respectivement 30 et 40% de la consommation d’énergie (IEA 2008b). Etant donnée leur ...
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Forme urbaine et impact climatique du secteur résidentiel
Laure LAMPIN, Fabio GRAZI,
CIRED,
Paris
Décembre 2009
Introduction
A l’heure actuelle, réduire les consommations énergétiques constitue un enjeu national
doublement essentiel, tout d’abord pour diminuer les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES)
associées et ainsi diminuer l’impact sur le climat, mais également pour limiter la dépendance
énergétique et la vulnérabilité à la raréfaction des ressources. La mise en oeuvre des décisions
internationales se heurte aux difficultés de traduction des objectifs en actions concrètes de
réduction des émissions.
L’enjeu que représentent les villes dans la lutte contre le changement climatique est double :
lieux de concentration des populations et des activités polluantes (UN 2009; IEA 2008a), elles
constituent également, par leur structure, des systèmes privilégiés pour l’expérimentation de
politiques climatiques complémentaires de réduction d’émissions sectorielles. En effet, les
compétences des autorités locales, allant des décisions d’investissement pour les
infrastructures à la planification urbaine, confèrent aux gouvernements locaux une flexibilité
et un fort pouvoir d’action sur l’économie à travers le développement urbain, et notamment la
demande de transport et de bâtiment. Ces secteurs, principaux contributeurs en termes
d’émissions de GES, engendrent respectivement 30 et 40% de la consommation d’énergie
(IEA 2008b). Etant donnée leur dimension spatiale qui les lie fortement aux formes de
développement urbain, l’exploitation de l’ensemble des potentiels de réduction d’émissions de
ces secteurs du bâtiment et des transports ne pourra se faire sans leur prise en compte au
niveau local. Afin de mener au plus vite les actions nécessaires, l’enjeu est donc d’identifier,
d’évaluer et de mettre en oeuvre des politiques locales efficaces en termes de réduction
d’impact sur le climat.
Si plusieurs études évaluent et quantifient l’impact de la forme urbaine sur la demande de
mobilité et les émissions associées (Bento et al. 2005; Grazi et al. 2008), peu de travaux ont
été effectués pour le secteur du bâtiment (Ewing and Rong 2008). Nous nous proposons de
présenter ici les premiers résultats d’une étude empirique visant à étudier l’effet global de
restructuration urbaine sur les consommations d’énergie et émissions de GES associés des
ménages français pour leur logement. Ce travail désagrège l’impact des caractéristiques de
bâtiment sur les émissions de GES à travers la performance énergétique du logement d’une
part, et son potentiel émissif de l’autre : il s’agit de dissocier l’influence du bâti sur le besoin
énergétique intrinsèque et sur l’émissivité due à la nature des sources d’énergie utilisées.
1. Méthodologie
Cadre conceptuel
La forme urbaine impacte les consommations d’énergie et émissions associées des ménages à
travers trois facteurs intermédiaires que sont la typologie des bâtiments, le type d’énergie et le
microclimat (figure 1) :
i)
la forme urbaine influence les caractéristiques du logement en terme de taille et de
type : la surface des logements, leur âge et leur structure (logement isolé, logement
2/7
accolé, logement en immeuble) diffèrent selon l’environnement urbain et
impactent fortement la consommation d’énergie finale du logement
1
;
ii)
la forme urbaine influence le type d’énergie disponible : l’installation et l’entretien
d’infrastructures de réseaux énergétiques tels gaz et réseaux de chaleur ne
deviennent rentables qu’à partir d’une certaine densité d’utilisateurs (ménages ou
professionnels) donc l’accessibilité à ces réseaux dépend des formes de
développement urbain. Parallèlement, l’implantation d’énergies renouvelables
dans un logement est conditionnée par sa typologie (elle-même conditionnée par la
forme urbaine comme expliqué au i)) : les capteurs de pompes à chaleur requièrent
une grande surface ou bien une grande profondeur pour leur implantation dans le
sol ; le solaire (thermique ou photovoltaïque) requièrent un minimum de surface
disponible pour son installation. Or chaque source d’énergie est associée à des
technologies de production et de distribution propres, desquelles dépendent la
consommation d’énergie primaire ainsi que le contenu GES associés à la
consommation d’un kWh d’énergie finale dans le logement ;
iii)
la forme
urbaine influence enfin le besoin d’énergie du logement à travers le
phénomène d’ilot de chaleur : l’augmentation de la température dans les zones
urbaines à forte intensité diminue le besoin de chaleur en hiver mais augmente
potentiellement le besoin de climatisation en été, ce qui impacte directement la
consommation d’énergie finale du ménage et les émissions de gaz à effet de serre
associées.
Figure 1
- Mécanismes d’interaction entre forme urbaine et consommation d’énergie des ménages et
émissions de GES associées
1
L’énergie finale est l’énergie utilisée par les ménages pour chauffer leur logement ou faire fonctionner leurs
appareils électriques. L’énergie primaire est l’énergie totale nécessaire pour fournir cette énergie finale ; elle
dépend du type d’énergie et de technologies utilisées. La différence entre énergie primaire et énergie finale
mesure les pertes dues aux rendements imparfaits des systèmes de production et réseaux de distribution. Les
émissions de GES dérivent de la quantité d’énergie primaire et du type d’énergie utilisée.
BATIMENTS
MICRO CLIMAT
ENERGIE
ORGANISATION SPATIALE
Densité d’emplois et d’habitants - Compacité
Tailles et types
Type, efficacité de production et conversion
Températures locales
CONSOMMATION
D’ENERGIE DES MENAGES
ET EMISSIONS ASSOCIEES
LOGEMENT
Impact des facteurs intermédiaires sur les émissions
Impact global de l’organisation spatiale sur les émissions des ménages
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Nous traitons dans cette communication uniquement
l’influence directe et indirecte (à travers
les sources d’énergie) de la typologie des bâtiments sur les consommations d’énergie et
émissions associées des ménages.
Données
Les données utilisées pour cette étude proviennent de l’enquête nationale Logement 2006,
réalisée par l’INSEE, décrivant les
caractéristiques sociodémographiques et économiques de
42 963 ménages et les modalités d’occupation de leur résidence principale. A partir des
factures énergétiques annuelles fournies par l’enquête, nous utilisons les prix d’énergie et
facteurs de conversion indiqués par le décret français sur la performance énergétique
(MEEDDM, 2006a)
pour déterminer les consommations en kWh par an et les émissions de
GES émis par ménage. Nous restreignons dans un premier temps l’étude aux 29 254 ménages
ne payant pas de charges énergétiques collectives car l’enquête ne fournit pas le détail des
montants payés par source d’énergie.
Tableau 1
– Statistiques descriptives des variables
Surface du logement (m
2
)
93,5
Type de logement
Individuel
64%
Collectif
36%
Période de construction
Avant 1914
14%
1915 à 1974
40%
1975 à aujourd'hui
47%
Degré jours
2
2213
Revenu annuel total par unité de consommation (€)
18 670
Energie et émissions
Energie finale : consommation annuelle par ménage (kWh)
15 349
Energie primaire : consommation annuelle par ménage (kWh)
24 021
Emissions de CO2 (g/an.ménage)
2 108 455
Nombre de ménages
29 254
Source : INSEE (Enquête Logement 2006), MEEDDM (2006a), propres calculs.
Analyse
Étant donnée l’exclusion des logements à chauffage collectif, il est prévisible que nos
variables de consommation des ménages soient en dessous de la moyenne globale. En effet,
les surconsommations sont courantes lorsque les factures sont partagées par tout le bâtiment.
D’autre part, les sources utilisées dans ce cas sont souvent des énergies fossiles à contenu
carbone élevé, ce qui laisse présumer une sous-estimation potentielle des émissions des
ménages.
Les chiffres de la littérature, dans lesquels nos résultats s’inscrivent avec cohérence selon les
commentaires précédents, sont présentés dans le tableau 2.
2
Le besoin de chauffage, représentant 65% (ADEME, 2007) de la dépense énergétique des ménages, est
fortement impacté par le climat. Afin de prendre en compte les différences de températures du territoire français
métropolitain, nous utilisons la variable Degré Jour associée à chaque département (MEEDDM, 2006b).
4/7
Tableau 2–
Consommation énergétique surfacique et émissions de CO
2
moyennes des ménages
Sources
Année
Energie
finale
(kWh/m²)
Energie
primaire
(kWh/m²)
Emissions de
CO
2
(tonnes)
Propre calcul
2006
176
280
2.1
ADEME, 2007
2006
216
-
3.4
ANAH, 2008
2008
-
270
-
Valeur
moyenne
(par an et
ménage)
Sidler, 2006
2006
-
277
-
Nous avons élaboré deux modèles pour notre étude empirique : un premier modèle permet de
mettre en évidence l’impact direct des caractéristiques des bâtiments sur le besoin énergétique
final du logement, soit la quantité d’énergie nécessaire pour l’utilisation du logement. Cette
quantité d’énergie influence directement les émissions de GES. Mais un autre facteur, celui de
la nature des énergies utilisées intervient également sur le total des émissions, et ce à travers
le ratio énergie primaire sur énergie finale et le contenu CO
2
de chaque énergie. Un deuxième
modèle a donc été élaboré pour mettre en évidence l’impact indirect du bâti sur les émissions
de GES.
Le modèle 1 permet de tester la typologie de bâtiment (individuel ou collectif) et l’âge du
bâtiment sur le besoin final en énergie du logement en contrôlant par la surface du logement,
le revenu des ménages par unité de consommation ainsi que les degrés-jours. Le modèle 2
isole l’effet indirect de la typologie et l’âge des bâtiments sur les émissions en testant
l’influence de la consommation d’énergie finale et des caractéristiques du bâti sur la quantité
des émissions. Ces modèles reposent sur des variables quantitatives continues (la surface du
logement, les degrés-jours ainsi que les consommations d’énergie et émissions des ménages)
et des variables discrètes. Les tests ont été effectués sur l’ensemble de l’échantillon à l’aide de
régressions linéaires selon la méthode des moindres carrés.
2. Résultats
Les estimations des deux modèles, ainsi que les niveaux de signification sont présentés dans
les tableaux 3 et 4. En ce qui concerne le modèle 1, toutes les variables sont significatives à
5% et on obtient un R
2
de 0.7260 élevé pour le nombre d’individus considérés. En termes de
caractéristiques du bâti, les coefficients mettent clairement en évidence une hiérarchie dans
les performances énergétiques des bâtiments : selon le modèle estimé, les logements collectifs
sont nettement moins consommateur en énergie finale - 4 233 kWh/an.ménage - que les
logements individuels. D’autre part, on voit apparaitre également une hiérarchie par année de
construction : les bâtiments d’après-guerre sont les moins performants puisqu’ils consomment
1 314 kWh/an.ménage de plus que les bâtiments d’avant-guerre, pris comme référence dans le
modèle. Cela s’explique par la typologie des bâtiments, construits dans l’urgence de la
reconstruction simultanément à la perte des techniques et matériaux traditionnels au profit du
béton et méthodes de construction standardisées. Les plus performants sont les bâtiments
postérieurs à 1975, soit à la suite du choc pétrolier, la prise de conscience du gaspillage
énergétique et la mise en place de normes thermiques de construction. En termes de surface,
un m
2
supplémentaire fait augmenter la consommation finale de 108 kWh/an.ménage. Les
variables de contrôle sur le revenu mettent en évidence que mise a part pour le premier décile,
plus le revenu par unité de consommation augmente, plus la consommation d’énergie finale
augmente. Enfin, un changement de climat de 1 degré-jour induit selon le modèle estimé une
augmentation de 2 kWh/an.ménage.
5/7
Tableau 3-
Relation entre consommation d’énergie finale des ménages et caractéristiques du bâtiment
(MODELE 1)
Energie finale
Coefficient
t
p-valeur
Surface du logement
107,7
18.40
<0.001
Type de logement (1 pour individuel ; 2 pour collectif)
-4233
-13.87
<0.001
Période de construction
Construit avant 1914
Référence
Construit entre 1915 et 1974
1314
4.62
<0.001
Construit après 1975
-2806
-10.59
<0.001
Décile de revenu par unité de consommation
Moins de 7762 €
5411
5.25
<0.001
De 7762 € à moins de 10 330 €
4503
4.38
<0.001
De 10 330 € à moins de 12 304€
5495
5.25
<0.001
De 12 304 € à moins de 14 421 €
5657
5.26
<0.001
De 14 421 € à moins de 16 600 €
5273
5.00
<0.001
De 16 600 € à moins de 18 894 €
5296
4.94
<0.001
De 18 894 € à moins de 21 714 €
6161
5.63
<0.001
De 21 714 € à moins de 25 808 €
6394
5.84
<0.001
De 25 808 € à moins de 33 387 €
7155
6.68
<0.001
33 387 € et plus
8199
6.74
<0.001
Degré-jour
2,651
13.16
<0.001
R
2
0.7260
Le modèle 2 donne également des résultats significatifs à 5% pour l’ensemble des variables
considérées. On obtient un R
2
de 0.7867 à nouveau élevé étant donné la taille de l’échantillon
de 29 254 ménages. Tout d’abord, l’estimation du modèle confirme que l’énergie finale est
bien corrélée positivement avec les émissions de CO
2
: toutes choses égales par ailleurs, un
kWh consommé en plus conduit à une augmentation de 150g de CO
2
émis. En termes de
typologie de logement, un logement collectif émet selon l’estimation environ 180kg de plus
de CO
2
qu’un logement individuel. L’opposition avec les résultats du modèle 1 s’explique par
la grande proportion d’utilisation de l’électricité dans les logements collectifs (accentuée dans
notre échantillon excluant les logements avec chauffage collectif notamment) : le ratio énergie
primaire sur énergie finale de l’électricité de 2.58 (MEEDDM, 2006a) impacte fortement les
émissions à travers la consommation d’énergie primaire. La hiérarchie par âge des bâtiments
reste similaire en revanche : à consommation d’énergie finale identique, les bâtiments
d’après-guerre sont les plus émetteurs, suivis des bâtiments d’avant-guerre et enfin des
bâtiments les plus récents. Si la position des bâtiments récents s’explique par l’utilisation
généralisée de sources et technologies plus propres et moins émissives comme le gaz naturel
par exemple au détriment de sources traditionnelles tel le fioul ou le charbon, il est difficile
d’expliquer que les bâtiments les plus anciens soient moins émissifs que ceux d’après-guerre.
Une étude approfondie sur la nature des sources utilisées permettra de préciser ces résultats.
6/7
Tableau 4 –
Relation entre émissions de CO
2
des ménages et caractéristiques du bâtiment à travers la nature des
sources d’énergie utilisées (MODELE 2)
Emission de CO
2
Coefficient
t
p-valeur
Consommation d'énergie finale
150,3
36,64
<0.001
Type de logement (1 pour individuel ; 2 pour collectif)
181186
4,59
<0.001
Période de construction
Construit avant 1914
-552438
-4,82
<0.001
Construit entre 1915 et 1974
-296456
-2,6
0.009
Construit après 1975
-634018
-6,11
<0.001
R
2
0.7867
Une limitation est également à donner sur l’interprétation des résultats du modèle 2 : en effet,
la non prise en compte des logements équipés de chauffage collectif introduit probablement
des biais en opérant une sélection non aléatoire et corrélée avec la nature de la source
d’énergie utilisée. Un travail approfondi de reconstruction des données est prévu afin de
pouvoir inclure les ménages manquants dans l’échantillon.
Conclusion
Cette étude empirique menée sur 29 254 ménages français présente une estimation de
l’influence des caractéristiques des bâtiments sur les émissions des ménages français à travers
le besoin énergétique intrinsèque d’une part et l’émissivité due à la nature des sources
d’énergie utilisées d’autre. Cette désagrégation de l’influence du bâti permet de cibler les
actions d’atténuation en mettant en évidence les faiblesses du parc, soit en matière de
performance thermique pour le premier modèle, soit en matière d’émissivité
pour le
deuxième modèle. Dans un deuxième temps, ce travail sera complété par une étude de
l’impact de la forme urbaine sur le bâti et sur la nature des sources d’énergie utilisées afin
d’évaluer le potentiel d’amélioration de la performance énergétique et de réduction des
émissions d’une politique de restructuration urbaine en France.
7/7
Références :
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Bento, A.M., M.L. Cropper, A.M. Mobarak, and K. Vinha (2005). “The Effect of Urban Spatial Structure travel
demand in the United States”, The Review of economics and Statistics 87(3):466-478.
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Grazi, F., J.C.J.M. van den Bergh, and J.N. van Ommeren (2008). “An Empirical Analysis of Urban Form,
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IEA (2008a). “World Energy Outlook 2008”, OECD/IEA, Paris.
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MEEDDM, 2006a. Arrêté du 15 septembre 2006 relatif au diagnostic de performance énergétique pour les
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September 28th, 2006, text 10.
Available at: http://www.logement.gouv.fr/IMG/pdf/arrete150906_dpe-3.pdf [Accédé Août 19, 2009].
MEEDDM, 2006b. Arrêté du 24 mai 2006 relatif aux caractéristiques thermiques des bâtiments nouveaux et des
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Journal de la République Française of May 25th, 2006, texte 14.
UN-HABITAT (2009). “Climate change: Are Cities really to Blame”, Vol.1, Issue 2.
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