Approche du métabolisme urbain axée sur LiDAR pour modéliser la consommation d’énergie et les émissions de carbone à l’échelle du quartier

Auteurs :

Andreas Christen, professeur adjoint de géographie (chercheur principal)
Nicholas Coops, professeur de foresterie et titulaire de la Chaire de recherche en télédétection du Canada (cochercheur)
Ronald Kellett, professeur d’architecture paysagère (cochercheur) Université de la Colombie-Britannique 

Auteurs collaborateurs :

Ben Crawford, Université de la Colombie-Britannique
Eli Heyman, Université de la Colombie-Britannique
Inna Olchovski, Université de la Colombie-Britannique
Rory Tooke, Université de la Colombie-Britannique
Michael van der Laan, Université de la Colombie-Britannique

Date de publication : Juin 2010

Vers le site web externe : https://circle.ubc.ca/handle/2429/42442

Résumé

La présente publication porte sur une méthode axée sur la télédétection de modélisation de la consommation d’énergie et des émissions de carbone à l’échelle du quartier. Faisant fond sur une étude de cas effectuée sur un quartier de Vancouver où des données sur la télédétection, le flux de carbone atmosphérique, la forme urbaine, la consommation d’énergie et les émissions ont été compilées et regroupées, le projet a eu recours à une approche à l’échelle du quartier pouvant être reproduite qui illustre :

  • des approches holistiques contextuelles axées sur les systèmes de la modélisation de la consommation d’énergie et des émissions de carbone en milieu urbain;
  • des méthodes de dérivation de la consommation d’énergie et des émissions liées aux caractéristiques de la forme urbaine (utilisation des terres, type de bâtiment, végétation) ayant recours à des technologies de télédétection;
  • des méthodes d’intégration de diverses émissions et de processus de captage (combustion, respiration, photosynthèse) à différentes échelles et résolutions de données spatiales et non spatiales pertinentes à la modélisation de la forme urbaine, de la consommation d’énergie et des émissions;
  • des méthodes évolutives axées sur le type de modélisation de la consommation des bâtiments et de l’établissement de scénarios;
  • des comparaisons d’analyses comparatives d’estimations modélisées avec des données directement mesurées de la consommation d’énergie et deux années de flux de carbone (émissions) directement mesurés à une tour de recherche au-dessus du quartier.

Principaux résultats de la modélisation

  • Importations du carbone : En fonction de la portée et des méthodes de métaboliste urbain du projet, l’aire à l’étude importe approximativement 6,69 kg C m⁻² an⁻¹ (ou 1,04 t C hab⁻¹) sous forme de sources d’énergie, d’aliments et de matériaux et capte 0,49 kg C m⁻² an⁻¹ de l’atmosphère par la photosynthèse de la végétation urbaine.
  • Exportation et séquestration du carbone : Les sources de l’aire à l’étude émettent 6,22 kg C m⁻² an⁻¹ (0,97 t C hab⁻¹) ou 87 % des importations dans l’atmosphère, et 0,87 kg C m⁻² an⁻¹ (0,14 t C hab⁻¹) ou 12 % des importations sont latéralement exportées par les déchets. Les sols urbains et la biomasse séquestrent 1 % du carbone importé, ou 0,09 kg C m⁻² an⁻¹ (0,01 t C hab⁻¹).
  • Processus d’émissions pertinents : De l’ensemble des émissions locales rejetées dans l’atmosphère de l’aire à l’étude, 2,47 kg C m⁻² an⁻¹ (40 %) proviennent des bâtiments, 2,93 kg C m⁻² an⁻¹ (47 %) des transports, 0,49 kg C m⁻² an⁻¹ (8 %) de la respiration humaine et 0,33 kg C m⁻² an⁻¹ (5 %) de la respiration des sols et de la végétation. Les émissions attribuables à la production, au transport ou à la transmission des sources d’énergie, des ressources et des aliments et à la gestion des déchets à l’extérieur de l’aire à l’étude n’ont pas été prises en compte.
  • Émissions des combustibles fossiles : De l’ensemble des émissions de combustibles fossiles locales, 46 % proviennent du secteur des bâtiments (gaz naturel) et 54 %, du secteur des transports (essence, diesel). Des émissions attribuables aux transports, 11 % (0,31 kg C m⁻² an⁻¹), proviennent du carbone produit par les déplacements dans l’aire à l’étude et 89 % (2,62 kg C m⁻² an⁻¹) du carbone émis par les déplacements traversant l’aire à l’étude.
  • Cycle du carbone renouvelable : La photosynthèse et la respiration des humains, du sol et de la végétation absorbent et émettent du carbone renouvelable. Ces processus pourraient compenser (absorber) le carbone d’autres sources et générer (émettre) du carbone lorsque les réserves de carbone sont perturbées, par exemple, en raison de changements à l’utilisation des terres et de l’aménagement et du réaménagement. 
  • Analyse comparative des mesures directes des émissions : Des mesures prises au cours de deux ans à une tour de flux du carbone au centre de l’aire à l’étude ont permis de comparer les résultats modélisés aux émissions de carbone directement mesurées. Les valeurs des émissions modélisées et mesurées étaient similaires, c’est-à-dire 6,71 kg C m⁻² an⁻¹ pour les données mesurées et 7,46 kg C m⁻² an⁻¹ pour les données modélisées (sous-ensemble de l’aire à l’étude pondéré par les sources de turbulence près de la tour). Le modèle surestime légèrement les émissions réelles de 0,75 kg C m⁻² an⁻¹ (ou 11 %), ce qui est en partie attribuable au manque de représentation de la vitesse des véhicules dans le modèle des transports.

Résultats clés :

  • Méthode du projet
    • Télédétection : Il a été démontré que les technologies de télédétection comme LiDAR et l’imagerie satellite multispectrale sont des moyens efficaces de produire des données spatialisées et d’extraire des données sur la forme urbaine et la couverture terrestre à de petites échelles (jusqu’à 1 m). Ces caractéristiques et données sur la forme urbaine procurent les renseignements nécessaires pour les tâches de modélisation de la consommation d’énergie et des émissions dans le secteur des bâtiments et la quantification des émissions/du captage de la végétation.
    • Approche axée sur les types de bâtiments : Outre les limites des données, les méthodes de modélisation axées sur les types de bâtiments constituent un moyen efficace d’évaluer la consommation d’énergie de l’échelle des bâtiments à celle de quartier. Ces méthodes facilitent également la définition d’importantes caractéristiques morphologiques et de rendement avec lesquelles filtrer les données de télédétection et établir la portée de stratégies et de scénarios d’atténuation éventuels.
    • Comparaison des données mesurées avec les émissions modélisées : Les mesures directes des flux de carbone aux tours de flux urbaines constituent une méthode de validation des répertoires/modèles des émissions à petites échelles. Compte tenu du fait que cette approche et ces méthodes sont des prototypes, les résultats très similaires obtenus des mesures à la tour et de la modélisation sont concluants et prometteurs.
  • Limites : Bien que prometteuse, l’approche du métabolisme urbain démontrée était aussi restreinte de plusieurs façons. Seulement un aspect métabolique, à savoir le bilan massique du carbone, a été pris en compte et mesuré. L’échelle spatiale et la complexité sont modestes, soit un « quartier » de deux kilomètres carrés où l’utilisation des terres et la diversité de la forme urbaine sont modérées. Les émissions de carbone provenant de la production d’aliments et de biens de consommation hors de l’aire à l’étude ou l’ampleur des déplacements d’origine locale n’ont pas été prises en compte.
  • Résultats clés des scénarios illustratifs : objectifs de réduction des émissions matérielles : Les scénarios illustratifs ont démontré que, par habitant, les émissions de carbone d’origine locale dans l’aire à l’étude pourraient atteindre les objectifs de réduction du carbone en 2020 de la Colombie-Britannique (33 % en dessous des niveaux de 2007) avec l’adoption intégrale des pratiques exemplaires actuelles pour le conditionnement des pièces et des normes d’économie de carburant pour les véhicules. Toutefois, afin de réaliser des progrès à l’égard d’une réduction des émissions au delà de l’objectif visé, il sera nécessaire d’accroître la densité de la population et de l’emploi dans les formes urbaines compactes et à usage mixte, favorisant les déplacements à pied et le recours aux transports en commun. L’atteinte de l’objectif de réduction du carbone 2050 de la Colombie-Britannique (80 % en dessous des niveaux de 2007) reposera sur la pleine adoption de ces stratégies de forme urbaine axée sur les pratiques exemplaires en plus d’améliorer grandement la technologie d’efficacité énergétique des bâtiments, des véhicules et de l’infrastructure et de favoriser de grands changements dans le comportement humain pour adopter des modes de vie moins énergivores. 

En plus d’être présentés dans le rapport du projet, les résultats ont été résumés dans des documents de conférenceNote de bas de page 1, Note de bas de page 2 et des publications d’examen avec comité de lectureNote de bas de page 3, Note de bas de page 4. Le projet a obtenu le soutien de CanmetÉNERGIE dans le cadre du Programme de recherche et de développement énergétiques.