Une invention énergétique abandonnée des années 1990 fait son grand retour

En 1991, une équipe de scientifiques a breveté ce qui semblait être une percée pour l’un des problèmes d’efficacité énergétique les plus graves du pays.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory avaient inventé une fenêtre en verre à « triple vitrage mince ». Sur le papier, la fenêtre mieux isolée avait le potentiel de réduire l’énergie annuelle pour le chauffage des bâtiments de 39 % et de réduire les coûts de climatisation de 28 %.

Mais la percée a été oubliée.

« Cela n’a abouti à rien », a expliqué Robert Hart, un chercheur du laboratoire de Berkeley qui dirige maintenant l’équipe qui a inventé la fenêtre.

En 1991, les fenêtres à double vitrage étaient à la pointe de la technologie aux États-Unis. Elles le sont toujours.

En ajoutant une fine couche de verre au milieu de la fenêtre et en la scellant avec un gaz inerte tel que le krypton, l’équipe de Berkeley l’avait rendue plus légère et plus efficace, ce qui signifiait qu’elle réduisait les émissions.

Mais ensuite, l’équipe a découvert que la feuille de verre du milieu – environ un vingtième de pouce – était rejetée par les fabricants de fenêtres américains. C’était trop cher.

« C’était impossible à fabriquer », comme l’a dit Hart dans une interview, et Berkeley a arrêté ses recherches.

Cela aurait pu avoir des conséquences à long terme. Les bâtiments utilisent 75 % de l’électricité du pays, selon le ministère de l’Énergie. Les fenêtres améliorées ont un « vaste potentiel » pour aider les États-Unis à atteindre leur objectif de zéro émission nette de gaz à effet de serre d’ici 2050, a déclaré l’agence le mois dernier.

Les fenêtres restent l’un des principaux obstacles à l’amélioration de l’efficacité des bâtiments. Le laboratoire de Berkeley a récemment estimé qu’ils coûtaient aux propriétaires de maisons et d’immeubles américains jusqu’à 40 milliards de dollars par an.

L’approche européenne pour résoudre ce problème a été plus agressive. La Suède et le Danemark avaient développé des fenêtres à triple vitrage utilisant du verre ordinaire au début des années 1900. Au milieu des années 1980, les nations commençaient à les inclure dans les codes du bâtiment.

Wolfgang Feist, physicien allemand et professeur d’université, a poussé la question plus loin. Il a commencé à défendre ce qu’il a appelé le « mouvement de la maison passive » en 1991.

Lui et ses partenaires universitaires ont obtenu le soutien de l’État allemand de Hesse pour concevoir et construire quatre maisons passives à Darmstadt en 1991. Les toits, les murs et les fenêtres étaient tous super-isolés. L’objectif était une maison ou un bâtiment nécessitant 75 % d’énergie en moins que les nouvelles structures conventionnelles.

Selon le Passive House Institute, que Feist a fondé plus tard, un total de 5 251 maisons ou bâtiments passifs ont été construits dans le monde. Parmi ceux-ci, seuls 133 sont situés aux États-Unis, où les prix de l’énergie sont traditionnellement moins chers.

(Peut-être que la maison passive américaine la plus célèbre a été construite par Amory Lovins, physicien et fondateur du Rocky Mountain Institute, un groupe de réflexion qui se concentre sur les questions énergétiques et environnementales. La maison comprend une pièce où Lovins cultivait des bananes et des citrons dans des rayons de soleil. qui assurait également la majeure partie de son chauffage. Il qualifiait parfois la maison d' »expérience continue ».)

Les Allemands ont ensuite étendu leurs efforts en construisant un hôpital passif et un poste de police. Les expériences européennes ont contribué à inspirer des codes de construction plus stricts, ce qui a poussé les constructeurs à acheter de meilleures fenêtres.

Comme Feist l’a récemment dit, attendre simplement que de meilleures technologies émergent n’entraînera pas des émissions nettes nulles d’ici 2050. « Nous devons prendre les bonnes décisions maintenant et ensuite agir en conséquence », a-t-il déclaré.

En 2003, l’équipe du laboratoire de Berkeley a décidé de réessayer les fenêtres « triple minces ».

3 volets, 30 ans après

L’installation de banc d’essai de fenêtre avancée au laboratoire de Berkeley. Stephen Selkowitz a dirigé l’équipe qui a développé les fenêtres à triple vitrage. | Laboratoire national Lawrence Berkeley.

L’ancien chef de l’équipe, Stephen Selkowitz, physicien et expert en conception de bâtiments, a expliqué dans un article récent que les propriétés thermiques des fenêtres et leur relation avec les factures d’énergie « sont déroutantes non seulement pour les propriétaires, mais aussi pour de nombreux constructeurs et architectes ».

Les questions de construction aux États-Unis sont réglées par les codes du bâtiment, « il y a donc peu de motivation pour trouver un produit plus performant », a noté Selkowitz, qui est maintenant consultant. Les maisons américaines sont souvent encadrées avec une construction de deux par quatre, et elles ont besoin de fenêtres plus légères que les maisons européennes plus lourdes.

La solution à ce problème, lorsqu’elle est finalement arrivée, a émergé d’industries qui n’ont rien à voir avec la construction. Il provenait d’entreprises qui fabriquent des téléphones portables et des téléviseurs. Leurs besoins ont fortement réduit le prix du verre ultra-mince.

En 2019, l’équipe de Berkeley a approché plusieurs entreprises de fenêtres américaines, dont Alpen High Performance Products Inc. de Louisville, Colorado. Alpen travaillait déjà sur une fenêtre à trois volets, mais l’entreprise a décidé de modifier la conception lorsqu’elle a vu le prototype de Berkeley et a appris que le prix du verre mince avait chuté à près d’un huitième de son coût antérieur.

« Notre réponse a été très rapide », a expliqué Craig Maierhofer, vice-président d’Alpen en charge des nouveaux produits, dans une interview. En utilisant le verre plus fin, Alpen a finalement proposé plusieurs nouveaux modèles, dont le «Winsert», une unité à trois panneaux dans un cadre en fibre de verre.

En avril 2019, la ville de New York a calculé que les pertes de chaleur et de refroidissement de ses bâtiments représentaient environ les deux tiers des émissions de gaz à effet de serre de la ville. Il a approuvé la Climate Mobilization Act, qui limite les émissions pour les bâtiments de plus de 25 000 pieds carrés. Il a touché près de 60 000 bâtiments de la ville.

Là où Alpen voyait autrefois un bourbier de problèmes, elle commençait maintenant à voir des signes de dollar.

Hart, le nouveau chef de l’équipe du laboratoire de Berkeley, a également vu des signes de progrès. Il a contacté d’autres sociétés américaines, dont Andersen Corp. de Bayport, Minnesota, où des responsables avaient exprimé leur intérêt pour la nouvelle fenêtre.

« Juste pour le plaisir », se souvient Hart, il a également invité un vendeur d’Andersen à examiner les fenêtres de sa maison. Doit-il les remplacer par des fenêtres plus récentes et plus efficaces ?

Non, lui dit le vendeur, ce serait trop cher.

Hart a expliqué plus tard l’incident comme ceci : « Nous travaillons principalement avec des équipes de recherche et développement. Ils ne sont pas toujours en phase avec la force de vente. Il faut beaucoup de temps et de formation pour que cela se produise.

« Manquer d’innovation »

À l’été 2019, le laboratoire de Berkeley a reçu une subvention de la California Energy Commission pour remplacer les fenêtres à double vitrage dans un groupe de nouvelles maisons modèles à Fresno par la version à triple vitrage. La Californie commençait également à s’inquiéter de la réduction des coûts énergétiques et des émissions de gaz à effet de serre provenant du chauffage et de la climatisation des maisons.

Ensuite, l’État a accordé au laboratoire une deuxième subvention de 1,85 million de dollars. Il s’agissait de mesurer les impacts économiques du remplacement des fenêtres à triple vitrage dans les maisons et les appartements de trois communautés à faible revenu.

Les résultats ont produit des lueurs de lumière pour Hart, Selkowitz et d’autres chercheurs sur les fenêtres. Puis en 2020, une année électorale, Donald Trump a pesé sur les fenêtres économes en énergie en tant que candidat à la présidentielle.

« C’est juste mon affaire », a déclaré Trump à un journaliste de Fox News. « Je connais tout du bâtiment. C’est merveilleux. Sortons vos fenêtres et faisons-en de minuscules petites fenêtres parce que vous allez économiser 2 cents sur l’énergie.

Le président Biden soutient désormais les campagnes d’efficacité énergétique du DOE et de la General Services Administration (GSA), qui supervise les bâtiments fédéraux et achète de nombreuses fenêtres. La GSA incite l’industrie américaine de la fabrication de fenêtres à accorder plus d’attention à l’efficacité énergétique depuis 2019.

« L’enveloppe de la construction de bâtiments est l’un de ces secteurs industriels qui manquent d’innovation », a déclaré Kevin Powell, directeur du centre GSA pour les technologies de construction émergentes, dans une interview.

Dans un rapport publié ce mois-ci, la GSA a déclaré que ses tests d’insertions de fenêtres en verre mince sur des bâtiments plus anciens pourraient entraîner des économies d’énergie de 11% à Miami et de 18% à Minneapolis.

« Notre objectif est de diffuser ces connaissances dans le secteur commercial », a déclaré Powell, qui a ajouté : « Je pense que vous pouvez voir un mouvement assez rapide, en particulier avec quelque chose qui a ce genre de retour sur investissement. »

L’année dernière, Andersen est devenue la deuxième société américaine à dévoiler ses versions de la fenêtre à triple vitrage du laboratoire de Berkeley. « Notre engagement à être de bons intendants de nos ressources naturelles est une valeur fondamentale d’Andersen Corporation », a déclaré Kate Graham, directrice de la recherche et du renouvellement de l’entreprise.

Hart du laboratoire de Berkeley est plus prudent mais toujours plein d’espoir. Il surveille attentivement les sondages de l’industrie. Jusqu’à présent, a-t-il déclaré, la pénétration du marché des fenêtres à triple vitrage est d’environ 3% aux États-Unis.

Certains fabricants américains les importent simplement d’Europe. Le laboratoire de Berkeley travaille actuellement avec les États, les villes et les services publics sur une nouvelle collaboration appelée Partnership for Advanced Windows Solutions.

« Il y a eu beaucoup de mouvement dans la bonne direction », a noté Hart, « mais ce n’est pas interconnecté. »