Les zones urbaines occupent seulement 2 % de la surface terrestre de la Terre, mais elles sont responsables d'environ 70 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone liées à l'énergie. Cette asymétrie a fait des villes les principaux moteurs du changement climatique et les plus prometteurs de la décarbonisation rapide. La poursuite de la neutralité du carbone urbain – un équilibre entre les émissions anthropiques de carbone et l'élimination du carbone à l'intérieur d'une frontière municipale – est donc devenue un défi déterminant pour le développement durable au XXIe siècle. La réalisation de cet équilibre exige plus que la volonté politique et l'investissement financier; elle exige une compréhension rigoureuse et fondée sur des données de la façon dont les systèmes urbains interagissent avec l'environnement. La modélisation environnementale fournit cette compréhension. En simulant la dynamique complexe de l'utilisation de l'énergie, des transports, de l'utilisation des terres et de l'activité industrielle, ces modèles permettent aux décideurs, aux planificateurs et aux chercheurs d'évaluer quelles voies peuvent raisonnablement fournir des émissions nulles nettes pour une ville donnée.

Cet article examine les principales sources d'émissions de carbone en milieu urbain, étudie les techniques de modélisation actuellement utilisées, évalue comment les modèles éclairent la sélection des stratégies et examine les efforts déployés par les villes du monde réel pour orienter leurs feuilles de route de décarbonisation. Les défis et les nouvelles possibilités sont également abordés, en mettant l'accent sur la façon dont les progrès en cours dans le calcul, la disponibilité des données et l'intégration des modèles rendent la vision des villes neutres en carbone de plus en plus réalisable.

Comprendre les émissions de carbone en milieu urbain

Les émissions de carbone en milieu urbain sont généralement classées en trois catégories dans le Protocole mondial pour les inventaires de gaz à effet de serre à échelle communautaire (PCG). L'étendue 1 couvre les émissions directes provenant de sources situées à l'intérieur des limites de la ville — centrales électriques, installations industrielles et véhicules à combustibles fossiles. L'étendue 2 représente les émissions indirectes provenant de l'électricité achetée, du chauffage et du refroidissement qui sont produites en dehors de la ville mais consommées à l'intérieur de celle-ci. L'étendue 3 englobe toutes les autres émissions indirectes, telles que celles qui sont intégrées dans les biens importés, les matériaux de construction et le traitement des déchets.

Dans ces domaines, les plus grands secteurs émetteurs sont le transport, les opérations de construction, l'énergie fixe (électricité et production de chaleur), les procédés industriels et la gestion des déchets. Le dosage exact varie selon les villes : une métropole dense et riche en transit comme Tokyo aura un profil d'émission très différent d'une ville extensive et dépendante de l'automobile comme Houston. Néanmoins, plusieurs modèles cohérents émergent :

  • Transport: Les véhicules routiers, en particulier les voitures particulières et les camions légers, représentent la majorité des émissions des transports urbains. Les transports en commun, la logistique du fret et l'aviation contribuent à accroître les parts.
  • Bâtiments: Le chauffage, le refroidissement, l'éclairage et les appareils dans les bâtiments résidentiels et commerciaux constituent la deuxième source d'émissions urbaines.L'intensité énergétique des activités de construction dépend fortement du climat, de l'âge du bâtiment, des normes d'isolation et de l'intensité en carbone du réseau local.
  • Industrie: La fabrication, la construction et l'industrie lourde dans les limites des villes peuvent être une source importante d'émissions directes par la combustion de combustibles fossiles et de réactions chimiques liées aux procédés (p. ex., la production de ciment).
  • Waste:[ Les décharges émettent du méthane provenant de déchets organiques en décomposition; l'incinération et le traitement des eaux usées produisent du CO2 et de l'oxyde nitreux. Ces contributions sont souvent plus petites mais peuvent être importantes localement.

Les études de modélisation ont montré que les émissions urbaines sont généralement dominées par la consommation d'énergie [ à des fins d'utilisation finale [ dans les bâtiments et les transports, plutôt que par la production d'énergie primaire.

Le rôle de la modélisation environnementale

La modélisation environnementale de la neutralité du carbone urbain n'est pas une technique unique, mais une famille d'approches interconnectées.Ces modèles simulent les processus physiques et socioéconomiques qui entraînent les émissions, permettant aux utilisateurs d'explorer des scénarios « et si ». Par exemple, un modèle pourrait se demander : comment une augmentation de 50 pour cent du nombre de conducteurs d'autobus combinée à un prix du carbone sur l'essence affecterait-elle les émissions totales de transport d'ici 2035? Ou comment la rénovation du parc de construction de la ville aux normes modernes d'efficacité modifierait-elle son modèle de demande en chauffage?

Types de modèles

Bien qu'il existe de nombreuses classifications, la plupart des modèles de carbone urbains se classent dans l'une des catégories suivantes :

  • Modèles d'inventaire des émissions:[ Ces modèles sont les plus fondamentaux.Ils compilent des données historiques sur les activités (p. ex., ventes de carburant, déplacements de kilomètres de véhicules, consommation d'électricité) et appliquent des coefficients d'émission pour produire des estimations annuelles de l'équivalent CO2.Les modèles d'inventaire ne prédisent pas l'avenir, mais ils établissent des conditions de base, identifient les secteurs clés et fournissent des données d'étalonnage pour d'autres modèles.
  • Modèles climatiques urbains:[ Ces modèles mettent l'accent sur la façon dont la forme et le fonctionnement de la ville affectent la météorologie locale et la qualité de l'air, avec des implications secondaires pour les émissions.Par exemple, l'effet de l'île de chaleur urbaine augmente la demande d'énergie de refroidissement en été; un modèle climatique urbain peut quantifier cette rétroaction.
  • Modèles d'évaluation intégrés (MEI) :[ Ce sont des cadres à grande échelle qui relient les systèmes énergétiques, l'utilisation des terres, l'économie et le climat.Au niveau national ou mondial, les MEI comme le GCAM et l'IMAGE sont communs; à l'échelle de la ville, des modèles comme CITYIAM[ (développé par la Convention mondiale des maires pour le climat et l'énergie) adaptent l'approche de la MEI pour la planification municipale. CITYIAM permet aux villes de fixer des objectifs de réduction des émissions, de sélectionner des portefeuilles d'actions d'atténuation et de suivre les progrès réalisés au fil du temps.
  • Modèles d'interaction entre le transport à l'utilisation des terres (LUTI) :[ Ces modèles simulent la relation bidirectionnelle entre le développement des terres et la demande de transport.
  • Modèles fondés sur les agents (ABM):[ Les ABM simulent les décisions des différents acteurs – ménages, entreprises, propriétaires – et regroupent leur comportement aux résultats au niveau du système.Ils sont particulièrement adaptés pour étudier comment les incitations politiques (par exemple, les subventions pour les panneaux solaires, la tarification de la congestion) influencent les taux d'adoption et les changements d'émissions qui en résultent.

Ces modèles ne sont pas appliqués isolément; une évaluation rigoureuse utilise souvent une chaîne de modèles. Par exemple, un modèle d'inventaire fournit des émissions de référence, un modèle LUTI projette la demande future en matière d'utilisation des sols et de transport, un modèle énergétique calcule les besoins énergétiques des bâtiments et un MEI intègre tous les secteurs dans différents scénarios politiques.

Comment les modèles évaluent le potentiel de neutralité du carbone

L'évaluation du potentiel de neutralité carbone d'une ville exige non seulement la possibilité de réduire les émissions, mais aussi la capacité de la ville à l'élimination du carbone[—par la plantation, le captage et le stockage du carbone (CCS), la bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS) ou la capture directe de l'air (DAC). La plupart des plans de neutralité urbaine reposent de façon disproportionnée sur les réductions des émissions plutôt que sur les absorptions, simplement parce que l'ampleur des absorptions requises est immense et que les technologies actuelles sont coûteuses.

Le processus d'évaluation comprend généralement :

  1. Scénarios de base: Une projection de l'activité selon la coutume, en supposant que les politiques et les tendances existantes se poursuivent, établit la trajectoire des émissions qui doit être courbée vers zéro.
  2. Scénarios d'atténuation:[ Un parcours ambitieux intégrant une gamme d'actions: rénovations en profondeur de bâtiments, électrification complète du chauffage et des transports, expansion des énergies renouvelables à l'intérieur et à l'extérieur des limites des villes, déplacement modal vers le transport en commun et actif, amélioration de l'efficacité industrielle et détournement des déchets des décharges.
  3. Scénarios de retrait:[ Lorsque des émissions résiduelles subsistent (p. ex., de l'aviation, des processus industriels difficiles à électrifier), le modèle quantifie la quantité de CO2 qui doit être éliminée par des solutions fondées sur la nature (forêts urbaines, terres humides) ou par l'élimination du carbone par génie.
  4. Analyse d'incertitude et de sensibilité :[ Parce que tout modèle contient des paramètres incertains – croissance économique future, coûts technologiques, taux de changement comportemental – l'évaluation doit inclure des fourchettes probabilistes.

Les principales mesures que les modèles fournissent comprennent : année d'émission de pointe[, taux de réduction des émissions (% par année)[, coût par tonne de CO2 abadé[, voies de transformation du système énergétique[ et incidences sur l'équité régionale[] (p. ex., que les quartiers à faible revenu supportent des coûts disproportionnés ou bénéficient d'avantages disproportionnés de la décarbonisation).

Études de cas : Modélisation en action

Plusieurs villes ont démontré que la modélisation environnementale pouvait traduire les engagements ambitieux en matière de neutralité carbone en plans concrets, dont les exemples suivants mettent en lumière différentes approches de modélisation et la façon dont elles ont façonné la politique locale.

Copenhague, Danemark

Pour tracer un parcours crédible, la ville a utilisé le modèle EnergyPLAN, un outil d'analyse de systèmes énergétiques de pointe qui simule la dynamique horaire de l'offre et de la demande en électricité, en chauffage urbain, en refroidissement et en transport. Ce modèle a aidé la ville à concevoir une stratégie qui comprend une expansion massive de l'énergie éolienne (à terre et en mer), la conversion des centrales de chauffage urbain alimentées au charbon en biomasse et en déchets en énergie, l'intégration des pompes à chaleur à grande échelle et le passage aux véhicules électriques et aux bicyclettes. Selon le Plan climatique de la ville pour 2020, ces mesures devraient réduire les émissions de 82 % d'ici 2025 par rapport aux niveaux de 2010, les 18 % restants étant compensés par des crédits carbone et des technologies d'émission négatives.

Pour plus de détails sur le cadre de modélisation de Copenhague, voir le plan de climat 2025 officiel de la ville.

Stockholm (Suède)

Stockholm aspire à être exempt de combustibles fossiles d'ici 2040. L'approche de modélisation de la ville repose sur l'outil STREAM (Spot-Triggered Resource Energy Analysis Model), développé par l'Institut suédois de recherche environnementale. STREAM simule la chaîne énergétique complète, de l'extraction des ressources à l'utilisation finale, y compris les déchets à l'énergie, le biogaz des eaux usées et le refroidissement urbain. Les résultats de modélisation montrent que le plus grand potentiel de réduction des émissions réside dans la modernisation des bâtiments multifamiliaux construits dans les années 1960-1970, qui sont les plus énergétiques.

Lire la suite de Stockholm's climate work at Stockholm City's climate page.

Vancouver, Canada

La ville a utilisé le modèle de la Communauté de l'énergie et des émissions (CEEM)[, élaboré par l'Institut Pembina, pour analyser les voies d'accès. Le CEEM est un modèle ascendant de stock qui tient compte de la consommation de chaleur, d'électricité et de carburant par habitant dans les bâtiments. L'une des principales idées de la modélisation du CEEM était que l'électrification ne suffirait pas si le réseau provincial (BC Hydro) demeurait tributaire de grandes centrales hydroélectriques, qui sont déjà à faible teneur en carbone, mais qu'elle imposerait des charges maximales pendant l'hiver. Le modèle recommandait une combinaison de rénovations en énergie profonde (>50 p. 100 de la demande de chaleur) et d'un système énergétique de district utilisant la récupération de chaleur des eaux usées pour aplatir le pic d'hiver.

Les progrès de Vancouver sont suivis par le biais du tableau de bord de la Stratégie de la ville renouvelable.

Défis et possibilités

Bien que les études de cas démontrent la puissance de la modélisation environnementale, des défis importants persistent. La résolution et l'exactitude des données[ demeurent le goulot d'étranglement le plus courant.Les modèles d'émissions urbaines nécessitent des données à haute résolution sur la consommation d'énergie, les flux de trafic, les caractéristiques du bâtiment et l'activité économique – données selon lesquelles de nombreuses villes manquent ou sont tenues dans des formats non interopérables.

La complexité du modèle est un autre problème.Les modèles intégrés qui combinent énergie, utilisation des sols, transport et climat contiennent des dizaines de sous-modèles interactifs, chacun avec ses propres exigences d'étalonnage.Une telle complexité peut masquer les hypothèses qui conduisent aux résultats, réduisant la transparence pour les décideurs.

L'incertitude politique met aussi en péril la modélisation.Les objectifs de neutralité à l'échelle de la ville dépendent des mesures habilitantes prises aux niveaux national et international – décarbonisation du réseau, tarification du carbone, normes technologiques – qui ne sont pas contrôlées par les municipalités.

Néanmoins, les possibilités se multiplient rapidement. La prolifération des grandes données[ et apprentissage automatique[ améliore l'étalonnage des modèles. Par exemple, l'imagerie satellitaire (par exemple, de la mission EMIT de la NASA) peut maintenant estimer l'albédo de surface et l'intensité des îles de chaleur urbaines à l'échelle des blocs, en se nourrissant directement des modèles climatiques urbains. Internet des objets (IoT) fournit des données en temps réel sur la consommation d'énergie à partir de compteurs intelligents et de systèmes de gestion des bâtiments, permettant la mise à jour dynamique des modèles.

─ La feuille de route pour la neutralité carbone d'une ville doit être fondée sur des preuves et non sur des aspirations. La modélisation environnementale prévoit que les preuves sont fondées, mais qu'elles doivent être continuellement affinées à mesure que de nouvelles données et technologies émergent. ─

— Adapté du sixième rapport d'évaluation du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), chapitre 17: Atténuation du niveau de la ville

Les progrès réalisés dans l'analyse ex-ante des politiques [ renforcent également l'utilité de la modélisation. Plutôt que de simplement projeter les résultats dans des scénarios fixes, les nouveaux modèles intègrent la microsimulation comportementale[ qui prédit la réaction des individus et des entreprises aux changements de politiques, permettant une évaluation plus réaliste des taux d'adoption des véhicules électriques, des panneaux solaires et des rénovations énergétiques.

Pour un aperçu complet du domaine, le chapitre 17 du GIEC sur l'atténuation urbaine fournit une synthèse détaillée des types de modèles, des applications et des lacunes en matière de recherche.

Conclusion

La modélisation environnementale est passée d'un exercice universitaire de créneau à un outil de planification indispensable pour les villes qui visent la neutralité carbone.En simulant systématiquement les systèmes urbains et en testant les stratégies d'atténuation, les modèles révèlent non seulement ce qui est possible, mais aussi ce qui est nécessaire en termes d'investissement, d'infrastructure et de coordination des politiques. Le cas de Copenhague montre que même les objectifs les plus ambitieux peuvent être éclairés par une modélisation détaillée des systèmes énergétiques; Stockholm et Vancouver illustrent comment les modèles aident à prioriser les actions et à anticiper les contraintes de la grille.

Le potentiel de neutralité du carbone urbain est réel, mais il n'est pas automatique. Il dépend de la quantification rigoureuse des émissions, de la comptabilisation honnête des émissions résiduelles et de l'application disciplinée de modèles qui captent l'interconnexion de l'énergie, des transports, des bâtiments et de l'utilisation des terres. À mesure que les ressources informatiques s'étendent et que les données deviennent plus granulaires, la précision et la pertinence de ces modèles ne feront qu'améliorer.