Comment les jumeaux numériques peuvent-ils optimiser la performance énergétique des bâtiments et des réseaux urbains ?

Les jumeaux numériques s’imposent progressivement comme un levier majeur pour améliorer la performance énergétique des bâtiments et des réseaux urbains. À la croisée du BIM, de l’Internet des objets (IoT) et de l’intelligence artificielle, ils offrent une vision dynamique et prédictive des systèmes énergétiques. Pour les particuliers comme pour les professionnels, ils constituent un outil précieux pour réduire les consommations, optimiser les investissements et préparer la transition vers des villes bas carbone.

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique appliqué à l’énergie ?

Un jumeau numérique est une réplique virtuelle d’un actif physique, d’un bâtiment, d’un quartier ou d’un réseau urbain. Cette réplique est alimentée en temps réel par des données issues du terrain : capteurs, compteurs communicants, systèmes de gestion technique du bâtiment, données météorologiques, etc.

Dans le domaine de l’énergie, un jumeau numérique permet de :

Modéliser le comportement énergétique d’un bâtiment ou d’un réseau (chauffage, ventilation, climatisation, éclairage, production photovoltaïque, stockage, etc.).
Simuler différents scénarios d’usage, de rénovation ou de pilotage pour en mesurer l’impact sur les consommations et les émissions de CO₂.
Optimiser en continu le fonctionnement grâce à des algorithmes de contrôle avancés (IA, apprentissage automatique, optimisation mathématique).
Anticiper les défaillances, faciliter la maintenance prédictive et allonger la durée de vie des équipements.

La valeur du jumeau numérique réside ainsi autant dans sa capacité de représentation que dans sa fonction de laboratoire virtuel, au service de la performance énergétique.

Les briques technologiques d’un jumeau numérique énergétique

La mise en œuvre d’un jumeau numérique appliqué à l’énergie repose sur l’intégration de plusieurs technologies complémentaires :

Modélisation 3D et BIM : pour décrire précisément la géométrie du bâtiment, ses matériaux, ses systèmes techniques (CVC, éclairage, réseaux, etc.) et ses caractéristiques thermiques.
IoT et capteurs : pour collecter des données en temps réel sur les températures, débits d’air, consommations électriques, taux d’occupation, niveau d’ensoleillement, qualité de l’air intérieur, etc.
Plateformes de données énergétiques : pour agréger, stocker, nettoyer et historiser les données en provenance de différentes sources (GTB/GTC, smart meters, météo, données de mobilité, réseaux urbains).
Moteurs de simulation énergétique : pour calculer les besoins thermiques, simuler les transferts de chaleur, les apports solaires, les interactions entre systèmes et enveloppe du bâtiment.
Intelligence artificielle et analytique avancée : pour détecter les dérives, identifier les leviers d’optimisation, élaborer des stratégies de pilotage prédictif.
Interfaces de visualisation : tableaux de bord, vues 3D, cartes thermiques, indicateurs de performance énergétique, destinés aux exploitants, aux décideurs et, le cas échéant, aux occupants.

Cette architecture permet de créer un environnement numérique cohérent, dans lequel l’ingénieur, le gestionnaire de patrimoine ou la collectivité locale peuvent tester et ajuster leurs choix avant de les déployer sur le terrain.

Optimisation énergétique des bâtiments : cas d’usage concrets

Dans les bâtiments tertiaires, résidentiels collectifs ou industriels, les jumeaux numériques permettent de franchir une nouvelle étape par rapport à la simple GTB/GTC.

Parmi les principaux cas d’usage :

Calibration du modèle énergétique : le jumeau numérique est d’abord calé sur le comportement réel du bâtiment à partir de données historiques (consommations passées, relevés de capteurs). Cela permet d’identifier les écarts entre performance théorique et performance réelle et de comprendre les causes (mauvaise régulation, enveloppe dégradée, surventilation, etc.).
Optimisation des consignes CVC : en jouant sur les températures de consigne, les débits d’air, les horaires de fonctionnement et le séquencement des équipements (chaudières, pompes à chaleur, ventilateurs), le jumeau numérique permet d’évaluer l’impact sur la consommation et le confort avant tout changement réel. L’exploitant peut ainsi choisir la stratégie qui maximise les économies sans dégrader le confort.
Pilotage prédictif : en intégrant les prévisions météorologiques et l’occupation attendue, le jumeau anticipe les besoins thermiques et adapte en amont la production et la distribution de chaleur ou de froid. Par exemple, il peut décider de préchauffer un bâtiment quand le prix de l’électricité est bas ou quand la production photovoltaïque est maximale.
Détection des dérives et maintenance prédictive : des modèles de référence sont établis pour chaque sous-système (chaudière, groupe froid, ventilation). Toute dérive significative (surconsommation, rendement dégradé, cycles anormaux) est détectée automatiquement et liée à des hypothèses de causes probables. La maintenance est alors planifiée sur la base de l’état réel des équipements et non plus seulement selon un calendrier fixe.
Rénovation énergétique assistée par simulation : le jumeau numérique permet de tester différents scénarios de rénovation (isolation, remplacement du système de chauffage, installation de panneaux solaires, changement des ouvrants) et d’en comparer les gains énergétiques, les coûts d’investissement et les temps de retour. Les décisionnaires peuvent ainsi prioriser les actions les plus efficaces.

Pour un gestionnaire de parc immobilier, disposer d’un jumeau numérique par bâtiment ou, à terme, d’un jumeau global du portefeuille, offre une vision unifiée des performances, des besoins de travaux et des trajectoires de décarbonation.

Jumeaux numériques et réseaux urbains : vers la ville intelligente

Au-delà de l’échelle du bâtiment, les jumeaux numériques transforment également la gestion des réseaux énergétiques urbains : réseaux de chaleur et de froid, distribution électrique, microgrids, ainsi que les interactions avec la mobilité (bornes de recharge, transports publics).

Pour les collectivités et les opérateurs de réseaux, les bénéfices sont multiples :

Planification énergétique territoriale : un jumeau numérique de quartier ou de ville permet de cartographier les consommations, les gisements d’énergies renouvelables (solaire, géothermie, récupération de chaleur fatale), les potentiels de raccordement à un réseau de chaleur. Les planificateurs peuvent simuler l’impact de nouvelles constructions, d’opérations de rénovation massive ou de l’implantation de nouvelles centrales de production.
Optimisation des réseaux de chaleur et de froid : grâce aux données en temps réel (températures aller/retour, débits, demandes des sous-stations, météo), le jumeau numérique permet d’ajuster en permanence la température de départ, la pression et la mise en service des unités de production. L’objectif est de réduire les pertes, d’améliorer le rendement global et de maximiser l’usage des énergies renouvelables et de récupération.
Gestion des pics de consommation électrique : avec la montée en puissance des véhicules électriques et des usages électriques (pompes à chaleur, climatisation), les réseaux sont soumis à des pics croissants. Un jumeau numérique de réseau électrique urbain peut simuler différents profils de charge, optimiser l’implantation de stations de recharge, coordonner les flexibilités (effacement, stockage, pilotage des bâtiments) pour éviter les surcharges et limiter les investissements lourds.
Intégration des énergies renouvelables distribuées : production photovoltaïque en toiture, petites unités de cogénération, stockage batteries… Le jumeau numérique évalue la capacité du réseau à intégrer ces productions locales, identifie les contraintes (tensions, congestions), et suggère des stratégies de pilotage (injection limitée, stockage, autoconsommation collective).
Scénarios de résilience et gestion de crise : en simulant des défaillances partielles (panne de centrale, coupure de ligne, épisode climatique extrême), le jumeau numérique aide les opérateurs à préparer des plans de continuité d’activité et à améliorer la résilience énergétique du territoire.

Ce passage de l’exploitation réactive à la gestion prédictive et coordonnée est un facteur clé pour atteindre les objectifs de neutralité carbone tout en garantissant la sécurité d’alimentation.

Apports pour les particuliers et les occupants

Les jumeaux numériques ne sont pas réservés aux experts. Ils peuvent aussi générer de la valeur pour les occupants, les copropriétaires et les usagers des bâtiments et infrastructures.

Visualisation des consommations : des interfaces dérivées du jumeau numérique présentent aux occupants leurs consommations détaillées (chauffage, eau chaude, électricité spécifique, etc.), comparées à des références ou à des logements similaires. Cette transparence favorise une prise de conscience et encourage les écogestes.
Amélioration du confort : en intégrant des retours d’expérience des usagers (inconfort thermique, bruit, qualité de l’air), le jumeau numérique aide à ajuster les réglages pour concilier performance énergétique et bien-être.
Participation à la flexibilité énergétique : dans les immeubles équipés de systèmes pilotables (chauffage électrique, ballon d’eau chaude, bornes de recharge), les occupants peuvent accepter, via des contrats adaptés, que certains équipements soient modulés à distance. Le jumeau numérique calcule alors les marges de manœuvre (flexibilités) et les valorise sur les marchés de l’énergie, créant de nouvelles sources de revenus ou de réduction de charges.

En rendant l’énergie plus visible et plus intelligible, les jumeaux numériques contribuent à rapprocher les citoyens des enjeux énergétiques de leur habitat et de leur ville.

Enjeux de mise en œuvre et bonnes pratiques

Si le potentiel des jumeaux numériques est considérable, leur déploiement nécessite une démarche structurée, tant pour les acteurs privés que publics.

Qualité et gouvernance des données : la performance d’un jumeau numérique dépend directement de la qualité des données collectées. Il est crucial de définir une stratégie de mesure (quels capteurs, à quel endroit, avec quelle précision), d’assurer l’interopérabilité des systèmes et de mettre en place des règles de gouvernance (propriété, partage, cybersécurité).
Phasage progressif : plutôt que de viser d’emblée un modèle exhaustif, il est souvent plus pertinent de commencer par un périmètre réduit (un bâtiment pilote, un tronçon de réseau) et des cas d’usage prioritaires (par exemple, réduction de 15 % des consommations de chauffage), puis d’enrichir progressivement le jumeau.
Association des métiers : un jumeau numérique efficace résulte de la collaboration entre énergéticiens, exploitants, services informatiques, spécialistes de la donnée, architectes, urbanistes et, le cas échéant, représentants des usagers. Cette approche pluridisciplinaire est indispensable pour éviter un outil trop technique, peu utilisé sur le terrain.
Prise en compte du cycle de vie : le jumeau n’est pas figé ; il doit évoluer avec le bâtiment ou le réseau (travaux, changements d’usage, renouvellement d’équipements). Prévoir dès le départ des processus de mise à jour garantit la pérennité et la fiabilité de l’outil.
Évaluation économique : la création d’un jumeau numérique représente un investissement (capteurs, logiciels, modélisation). Il est important d’identifier clairement les sources de valeur : économies d’énergie, coûts de maintenance réduits, valorisation patrimoniale, amélioration de l’image environnementale, nouveaux services aux usagers.

Pour les entreprises et les collectivités, l’enjeu est d’inscrire le jumeau numérique dans une stratégie globale de gestion énergétique, plutôt que de le considérer comme une simple vitrine technologique.

Vers une nouvelle génération de territoires à haute performance énergétique

En combinant données en temps réel, modélisation avancée et capacités de simulation, les jumeaux numériques offrent une nouvelle manière de concevoir, exploiter et transformer les bâtiments et les réseaux urbains. Ils permettent d’anticiper les impacts des décisions, de sécuriser les investissements et d’accélérer la décarbonation des usages.

Pour les professionnels de l’énergie, du bâtiment et de la ville, ils deviennent progressivement des outils incontournables, au même titre que le BIM ou les systèmes de gestion technique centralisée. Pour les particuliers et les usagers, ils annoncent des bâtiments plus confortables, plus sobres et mieux intégrés dans des écosystèmes énergétiques intelligents.

À mesure que les technologies de capteurs, de traitement des données et d’intelligence artificielle se démocratisent, les jumeaux numériques devraient se généraliser, depuis le simple logement jusqu’au territoire entier. Ils constituent ainsi un pilier stratégique pour atteindre les objectifs climatiques et bâtir des villes réellement durables et résilientes.