Contrer le changement climatique avec des trottoirs frais | Nouvelles du MIT
Les chaussées sont une surface urbaine abondante, couvrant environ 40 pour cent des villes américaines. Mais en plus de transporter du trafic, ils peuvent aussi émettre de la chaleur.
En raison de ce qu’on appelle l’effet d’îlot de chaleur urbain, les surfaces imperméables et densément construites comme les trottoirs peuvent absorber le rayonnement solaire et réchauffer leur environnement en réémettant ce rayonnement sous forme de chaleur. Ce phénomène constitue une menace sérieuse pour les villes. Il augmente la température de l’air jusqu’à 7 degrés Fahrenheit et contribue aux risques pour la santé et l’environnement – des risques que le changement climatique va amplifier.
En réponse, des chercheurs du MIT Concrete Sustainability Hub (MIT CSHub) étudient comment une surface qui augmente habituellement les îlots de chaleur urbains peut plutôt réduire leur intensité. Leurs recherches se concentrent sur les « chaussées froides », qui reflètent davantage le rayonnement solaire et émettent moins de chaleur que les surfaces de pavage conventionnelles.
Une étude récente menée par une équipe de chercheurs actuels et anciens du MIT CSHub dans le journal of Sciences et technologies de l’environnement décrit les chaussées froides et leur mise en œuvre. L’étude a révélé qu’ils pourraient abaisser les températures de l’air à Boston et à Phoenix jusqu’à 1,7 degrés Celsius (3 F) et 2,1 C (3,7 F), respectivement. Ils réduiraient également les émissions de gaz à effet de serre, en réduisant les émissions totales jusqu’à 3 % à Boston et 6 % à Phoenix. La réalisation de ces économies nécessite cependant que des stratégies de chaussées froides soient choisies en fonction du climat, de la circulation et des configurations de bâtiments de chaque quartier.
Des villes comme Los Angeles et Phoenix ont déjà mené des expériences importantes avec des chaussées froides, mais la technologie n’est toujours pas largement mise en œuvre. L’équipe du CSHub espère que leurs recherches pourront guider les futurs projets de pavage froid pour aider les villes à faire face au changement climatique.
Gratter la surface
Il est bien connu que les surfaces plus sombres deviennent plus chaudes au soleil que les plus claires. Les climatologues utilisent une métrique appelée « albédo » pour aider à décrire ce phénomène.
« L’albédo est une mesure de la réflectivité de surface », explique Hessam AzariJafari, auteur principal de l’article et post-doctorant au MIT CSHub. « Les surfaces à faible albédo absorbent plus de lumière et ont tendance à être plus sombres, tandis que les surfaces à albédo élevé sont plus lumineuses et reflètent plus de lumière. »
L’albédo est au cœur des chaussées fraîches. Les surfaces de pavage typiques, comme l’asphalte conventionnel, possèdent un faible albédo, absorbent plus de rayonnement et émettent plus de chaleur. Les chaussées froides, cependant, ont des matériaux plus brillants qui réfléchissent plus de trois fois plus de rayonnement et, par conséquent, réémettent beaucoup moins de chaleur.
« Nous pouvons construire des chaussées fraîches de différentes manières », explique Randolph Kirchain, chercheur au Materials Science Laboratory et codirecteur du Concrete Sustainability Hub. « Les matériaux plus brillants comme le béton et les agrégats de couleur plus claire offrent un albédo plus élevé, tandis que les revêtements en asphalte existants peuvent être rendus « froids » grâce à des revêtements réfléchissants. »
Les chercheurs du CSHub ont examiné ces différentes options dans une étude de Boston et de Phoenix. Leur analyse a pris en compte différents résultats lorsque le béton, l’asphalte réfléchissant et le béton réfléchissant ont remplacé les chaussées en asphalte conventionnelles, qui représentent plus de 95 pour cent des chaussées dans le monde.
Connaissance de la situation
Pour une compréhension globale des avantages environnementaux des chaussées froides à Boston et à Phoenix, les chercheurs ont dû regarder au-delà des seuls matériaux de pavage. En effet, en plus d’abaisser la température de l’air, les chaussées froides exercent des impacts directs et indirects sur le changement climatique.
« Le seul impact direct est le forçage radiatif », note AzariJafari. « En réfléchissant le rayonnement dans l’atmosphère, les chaussées froides exercent un forçage radiatif, ce qui signifie qu’elles modifient le bilan énergétique de la Terre en envoyant plus d’énergie hors de l’atmosphère, comme les calottes glaciaires polaires. »
Les chaussées froides exercent également des impacts complexes et indirects sur le changement climatique en modifiant la consommation d’énergie dans les bâtiments adjacents.
« D’une part, en abaissant les températures, les chaussées fraîches peuvent réduire certains besoins en climatisation [air conditioning] en été tout en augmentant la demande de chauffage en hiver », explique AzariJafari. « À l’inverse, en réfléchissant la lumière – appelée rayonnement incident – sur les bâtiments voisins, les chaussées fraîches peuvent réchauffer les structures, ce qui peut augmenter l’utilisation de la climatisation en été et réduire la demande de chauffage en hiver. »
De plus, les effets d’albédo ne représentent qu’une partie des impacts globaux du cycle de vie d’une chaussée froide. En fait, les impacts de la construction et de l’extraction des matériaux (appelés ensemble impacts incorporés) et l’utilisation de la chaussée dominent tous deux le cycle de vie. Outre les effets d’albédo, le principal impact de la phase d’utilisation d’une chaussée est la surconsommation de carburant : les chaussées aux surfaces lisses et aux structures rigides entraînent moins de surconsommation de carburant dans les véhicules qui roulent dessus.
L’évaluation des impacts des chaussées froides sur le changement climatique est donc un processus complexe, impliquant de nombreux compromis. Dans leur étude, les chercheurs ont cherché à les analyser et à les mesurer.
Une pleine réflexion
Pour déterminer la mise en œuvre idéale de chaussées froides à Boston et à Phoenix, les chercheurs ont étudié les impacts sur le cycle de vie du passage des chaussées en asphalte conventionnelles à trois options de chaussées froides : asphalte réfléchissant, béton et béton réfléchissant.
Pour ce faire, ils ont utilisé des simulations physiques couplées pour modéliser des bâtiments dans des milliers de quartiers hypothétiques. À l’aide de ces données, ils ont ensuite formé un modèle de réseau neuronal pour prédire les impacts en fonction des caractéristiques du bâtiment et du quartier. Avec cet outil en place, il a été possible d’estimer l’impact des chaussées froides pour chacun des milliers de routes et des centaines de milliers de bâtiments à Boston et à Phoenix.
En plus des effets d’albédo, ils ont également examiné les impacts intrinsèques pour tous les types de chaussée et l’effet du type de chaussée sur la consommation excessive de carburant des véhicules en raison des qualités de surface, de la rigidité et du taux de détérioration.
Après avoir évalué les impacts sur le cycle de vie de chaque type de chaussée froide, les chercheurs ont calculé quel matériau (asphalte conventionnel, asphalte réfléchissant, béton et béton réfléchissant) a le plus profité à chaque quartier. Ils ont découvert que si les chaussées froides étaient avantageuses à Boston et à Phoenix dans l’ensemble, les matériaux idéaux variaient considérablement à l’intérieur et entre les deux villes.
« L’impact du forçage radiatif était l’un des avantages universels pour tous les types de quartier et les matériaux de pavage », note AzariJafari. « C’était particulièrement le cas dans les zones avec des bâtiments plus courts et moins denses, où l’effet était le plus prononcé. »
Contrairement au forçage radiatif, cependant, les changements dans la demande d’énergie des bâtiments différaient selon l’emplacement. À Boston, les chaussées froides ont réduit la demande d’énergie aussi souvent qu’elles l’ont augmentée dans tous les quartiers. À Phoenix, les chaussées froides ont eu un impact négatif sur la demande d’énergie dans la plupart des secteurs de recensement en raison du rayonnement incident. Cependant, en tenant compte du forçage radiatif, les chaussées froides ont finalement eu un avantage net.
Ce n’est qu’après avoir pris en compte les émissions intrinsèques et les impacts sur la consommation de carburant que le type de chaussée idéal s’est manifesté pour chaque quartier. Une fois l’incertitude prise en compte sur le cycle de vie, les chercheurs ont découvert que les revêtements en béton réfléchissant avaient les meilleurs résultats, s’avérant optimaux dans 53 % et 73 % des quartiers de Boston et de Phoenix, respectivement.
Une fois de plus, des incertitudes et des variations ont été identifiées. À Boston, le remplacement des chaussées en asphalte conventionnel par une option froide a toujours été préféré, tandis qu’à Phoenix, les chaussées en béton – réfléchissantes ou non – ont eu de meilleurs résultats en raison de la rigidité à haute température qui a minimisé la consommation de carburant des véhicules. Et malgré la prédominance du béton à Phoenix, dans 17 % de ses quartiers, toutes les options de pavage réfléchissant se sont avérées plus ou moins efficaces, alors que dans 1 % des cas, les chaussées conventionnelles étaient en fait supérieures.
« Bien que les impacts du changement climatique que nous avons étudiés se soient avérés nombreux et souvent contradictoires, nos conclusions sont sans ambiguïté : des chaussées fraîches pourraient offrir d’immenses avantages en matière d’atténuation du changement climatique pour les deux villes », déclare Kirchain.
Les améliorations des températures de l’air seraient perceptibles : l’équipe a découvert que des chaussées fraîches réduiraient les températures estivales maximales à Boston de 1,7 °C (3 F) et à Phoenix de 2,1 °C (3,7 F). Les réductions d’émissions de dioxyde de carbone seraient également impressionnantes. Boston réduirait ses émissions de dioxyde de carbone jusqu’à 3 % sur 50 ans, tandis que les réductions à Phoenix atteindraient 6 % sur la même période.
Cette analyse est l’une des études les plus complètes sur les chaussées froides à ce jour, mais il reste encore beaucoup à étudier. Tout comme pour les chaussées, il est également possible d’ajuster l’albédo du bâtiment, ce qui peut entraîner des modifications de la demande énergétique du bâtiment. La décarbonisation intensive du réseau et l’introduction de mélanges de béton à faible teneur en carbone peuvent également modifier les émissions générées par les chaussées froides.
Il y a encore beaucoup de chemin à parcourir pour l’équipe CSHub. Mais en étudiant les chaussées froides, ils ont mis au point une solution brillante au changement climatique et ouvert des voies pour de nouvelles recherches et une atténuation future.
Le MIT Concrete Sustainability Hub est une équipe de chercheurs de plusieurs départements du MIT travaillant sur la science, l’ingénierie et l’économie du béton et des infrastructures. Ses recherches sont soutenues par la Portland Cement Association et la Ready Mixed Concrete Research and Education Foundation.