"Smart and Sustainable City": professor Isam Shahrour Seminar at the American University of Science...

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Smart City: Challenges & implementa3on Professor Isam SHAHROUR Université Lille1, France AUST Seminar “Smart City”, Beirut, August 13, 2014

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The seminar was organized by the American University of Science and Technology in Beirut (AUST) for the Master Degree Students, faculty members and socio-economic partners. It aimed at giving an international overview of the challenges of the sustainable city, the role of the Smart City in raising these challenges and the methodology of implementation of the concept of Smart City through the presentation of the SunRise full-scale demonstrator of the “Smart and Sustainable City” conducted by the University Lille 1 in France.

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Smart  City:  Challenges  &  implementa3on  

 Professor  Isam  SHAHROUR    

Université  Lille1,  France      

AUST  Seminar  “Smart  City”,    Beirut,  August  13,  2014  

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Smart  City  Interna3onal  overview  

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SIEMENS  report,    2010  

Analysis  of  the  the  strategy  of  15  ci3es  in  the  world    

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2014  

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Analysis  of  468  Smart  City  project  

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United  Kingdom  

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Smart  City  market  by  2020  :  $408  billion  Goal  of  the  UK  10%  of  this  market  Smart  water  market  :  7.1  to  $12.5  billion  

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Stockholm  Smart  City:  Traffic  Conges3on  (IBM)  

City  traffic  decrease  by  18%  CO2  emission  decrease  14-­‐18  %  

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Smart  City  in  United  States    Smart  Grid  –  NEMA  Report  (2011)    NEMA  :  AssociaLon  of  electrical  and  medical  imaging  equipment  manufacturers  (US)  

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Smart  Grid  –  NEMA  Report  (2011)  

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Novembre  2013  

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Private  sector  :  $70  millions  Expected  ac3vity  for  the  city:  $3.8  billion    

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China  :    

$322  billion  

August  13,  2014  :      200  Smart  City  projects  

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July  18,  2014    

•  100  Smart  City  projects  •  Government  investment  (2015):  $  1.2  billion    

India  :    

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Smart  City  JAPAN    

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Rio  de  Janeiro  Smart  City  IBM,  2011      

Rio  Opera3ons  Center  (control  room)  •  Ini3al  focus  :  floods,  soil  sliding  and  emergency    •  Then  considerably  extended  to:  transporta3on,  water,  weather  and  energy  

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Smart  City  in  Africa  

2014  

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Combina3on  of    telecoms  growth,  rapid  urbaniza3on,  increasing  demand  for  urban  services  and  Smart  City  development  :  Huge  perspec3ve  for  the  implementa3on  of  the  Smart  Ccity  concept  in  Africa  

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Why  the  smart  City  ?  

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High  expansion  of  the  urban  popula3on  

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High  expansion  of  the  urban  popula3on  

•   55%  of  the  World  popula3on  (70%  in  2050)  •   Europe  (  75  %)  • 95%  of  the  popula3on  growth  in  developing  countries  

•  Metropolis  with  more  than  30  million  inhabitants    

•  Ci3es  with  perspec3ve  exceeding  50  millions  

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By  2030  :  •  Nearly  2  billion  of  new  urban  residents  •  Urban  popula3ons  of  South  Asia  and  Africa  

will  double  •  400,000  km2  will  be  constructed  for  urban  

use  (doubling  the  world’s  built  urban  area)  

Developing  countries  :  center  of  urban  transforma3on  

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Ci3es  with  more  than  1  millions  inhabitants  Concentration in large cities

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Slums  issue  The  slum  popula3on:    800    million  In  2020  :  between  900  and  1,500  million.    

Ques3on  :  Are    slums  a  part  of  the  City  ?  

Neza-­‐Chalco-­‐Itza,      Mexico  City,  4  Million  

Maharashtra,  India  (19  Million)  60%  of  the  City    

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The  City  :  •  70%  of  the  world  GDP  …  •  600  metropolis  generate  60%  of  the  world    GDP  •  95%  of  the  popula3on  growth  in  the  developing  countries  

Economic  ac3vity  

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The  City  :  •  70%  of  the  world  energy  consump3on  •  75%  of  the  electrical  consump3on  

Energy    

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Energy  Security  supply    

Other  blackout  :  •  Italy  (2003):    

     $  55  billions  •  Indonesia  (2005)  

   $  100  billions  

US  Blackout  (2003)  •  50  Million  people    •  24  hours  for  full  recovery  •  Cost:    $6  to  $10  billion  

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Transport  

Industry  

Buildings  

Tokyo  (2005)  

Mexico  (2006)  

London  (1999)  

Shanghai  (2007)  

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Urban  Transport   Time  lost    at  rush  hour  (minutes  /hour)  

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Air  pollu3on  

Impact  :  •  80  %  of  the  greenhouse  emission  •  Kills    2.1  millions  /  year  •  Economic  cost  in  Europe  (2009)  :    €  170  

billion  

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Source:  USGCRP  (2009)    

Greenhouse  emission  

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Impact  of  the  greenhouse  emission  Climate  change  and  global  hea3ng  

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•  1  billion  do  not  have  access  to  drinking  water  service    

•  2.4  billion  do  not  have  access  to  sewage  water  service  

•  Leakage  :  50%  water  lost  in  some    ci3es  

Water  Chalenges  

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Natural  disasters    and  City  resilience      

700  millions  of  urban  inhabitants  are  subjected  to  natural  disaster  risk  

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Flood  Risk  (380  millions  inhabitants)  

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Major  natural  disasters  ris  

Impact    (Na3onal  

Scale)    

Impact  (World    Scale)    

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Popula3on  ageing    

•  Re3rement  funding  •  Health  and  social  care  •  Customized  services  

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City    

Greenhouse  emission  Climate  Change  

Popula3on  Expansion  (Explosion)  

Energy  &  water  consump3on  

Traffic    conges3on  

Air,  water      &  soil  pollu3on  

Financial  &  economic  Crises  

Health  &  educa3on    

Housing  

Poverty  Slums  

Gouvernance    par3cipa3on  

Society  aging  

Increase  demand  for  life  quality  &  comfort    

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Infrastructure  

Housing  

Urbaniza3on  

Management    

(governance)  

 Sustainable  City    Env-­‐  responsible      Social  -­‐responsible        Futur  genera3on  

Huge  Financial  and  economic  crises  

Statement  :  We  have  to  transform  our  city    

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 Improve  the  buildings  and  infrastructure  quality    Large  investment,  takes  Lme..  In  Europe  new  buildings  represent  about  1%  of  the  buildings  stock  annually  

Two  strategies  

Improve  the  infrastructure  management  (Digital  technology)  Low  investment,  rapid  implementaLon    

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Digital  Revolu3on  •  Social  network    •  Mobile  •  Internet  of  things  

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Smart  Sensors  and  actuators  

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Smart  Technology   Smart  governance  

SMART  CITY    

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Health,  Educa3on  Art,  Culture  

More  data    

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Smart  city  technology  allows  

•  Real-­‐3me  monitoring  (Urban  systems  as  well  as  other  urban  related  data)  •  Rapid  ac3on  in  the  case  of  abnormal  event  (leakage,  contamina3on,  overload,..)  •  Op3mal  management  of  resources  •  Stakeholders  implica3on  and  par3cipa3on  •  Development  of  predic3ve  models  

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Smart  City  Implementa3on    

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Different  scales  of  implementa3on  

City    

Campus  

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Step  1:  Establish  the  need  and  strategy    •  Understand  the  need  and  the  challenges  of  the  

city  (urban  system)  and  how  the  SC  concept  could  respond  to  these  challenges.  

•  Based  on  the  diagnos3c,  establish  a  mul3-­‐phase  strategy  with  milestones  

•  Establish  a  government  model  for  the  smart  city  

The  Smart  City  implementa3on  journey  

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Step  2  :  Data  collec3on  •  Data  concerning  the  physical  urban  

infrastructures  (Geographic  Informa3on  System  GIS)  

•  Smart  Monitoring  of  urban  infrastructures  (smart  sensors  and  actuators)  

•  Data  concerning  the  urban  environment  as  well  as  urban  usages  

The  Smart  City  implementa3on  journey  

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Step  3  :  Communica3on  Build  real  3me  bi-­‐direc3onal  communica3on  network  with  urban  system  as  well  as  with  the  city  stakeholders  :  •  Combining  wired  and  contactless  technology,  •  Heterogeneous  sensors  and  protocols,    •  Reliability,  Cyber  security,    •  Energy  saving    

The  Smart  City  implementa3on  journey  

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Step  4  :  Data  analysis  •  Technology  and  sogware  to  store  and  analyse  

huge  amount  of  data  (Big  Data)  (real-­‐3me)  •  Develop  predic3on  model  based  on  the  historical  

and  geo-­‐localized  data    

The  Smart  City  implementa3on  journey  

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Step  5  :  Protocols    Establish  protocols  for    

•  Op3mal  management,    •  Crisis  management,    •  Implica3on  of  stakeholders    •  New  services  (business)  

The  Smart  City  implementa3on  journey  

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Strategy  for  policy-­‐makers    •  Use  the  data,  analy3cs,…  to  establish  urban  

development  and  investment  strategy  •  Innovate  in  the  socio-­‐economic  model  (taxes,  

private-­‐public  partnerships,  social  aid,…-­‐  

The  Smart  City  implementa3on  journey  

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•  Improvement  • Extension  • New  services  

The  Smart  City  implementa3on  journey  Itera3ve  procedure:  

Implementa3on  

Tes3ng  

Stakeholders  back-­‐field    and  demand  

Usage    

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Pilot  project  :    large  scale  experimenta3on  

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Demonstrator  Large  scale    

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SunRise  pilot  Project    Smart  Urban  Network  Demonstrator  

for  Sustainable  city    

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Innova3on  centers  and  Clusters  •  Pole  Ubiquitaire  •  CITC  –EURARFID  •  PRN  

Local  government  •  AMGVF    •  Lille  Metroplis  •  Region  •  ArtoisComm  

Interna3onal:  •  W-­‐Smart  (Int.  Ass.  for  

water  Security)  •  New  York  University    •  Netherland  •  Great  Britain  Bretagne  •  Spain  

Private  and  public  operators  •  Dalkia  •  Eaux  du  Nord  (Suez)  •  Eau  de  Paris  •  ERDF    •  Lille  Métropole  Habitat    

Research  Laboratories:  •  Engineering  •  Informa3on  technology    •  Social  Science  

Educa3on  :  •  Master  programs  •  PhD  programs  

Starts-­‐ups  :    Stereograph,  Noolioc,    Inodesign,  Calmwater,  Planete  oui,  Ixsane,  Projex,    

Public  and  private  partners:  

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Small  town:  •  110  Hectares  •  250  000  users  •  70  km  of  Urban  Network    

•  140  Buildings          (320  000  m2  )    

Scien3fic  Campus    (Lille1  University)    

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 Living  and  social  ac3vity    

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C1  :    Teaching    (1966)   Polytech’Lille  Teaching  and  research    

 (2000)  

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Data  collec3on  :  GIS  Model    (network  and  buildings)  

70  km  of  networks  •  Water  •  District  Hea3ng  •  Gas    •  Electrical  (  HV,  LV)  •  Public  light  

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Global  approach  Coupling  primary  and  secondary  networks  

Buidings  Urban  network  

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Communica3on  :    •  Op3cal  (wired)  •   Contactless  

SunRise  -­‐  Plateform  Informa3on  System  

• Asset  data    (SIG)  • Monotoring  data  

3D  graphic  tools  Analy3cal  tools  

Communica3on    web  Servor  

•  Users  •  Technical  team  

Governance  team    •  Public  data  

Monitoring:    •  Leakage  •  Quality  

 

Leakage   Quality  Sensors  •  Flow  •  Pressure  

Sensors  •  Chlorine,  •  Conduc3vity,    •  pH,    •  Turbidity  •  temperature,  •  +  

Organiza3on    

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Water  

-­‐  Leakage  -­‐  Quality  -­‐  Water/Energy  

•  Commun  Laboratory  (CEA,  W-­‐Smart,  KWR)  

•  Industrial  Chair    •  European  Project:  

SmartWater4Europe  (GB,  Netherland,  Spain)  

•  2  major  projects  :  Paris  Water,  North  Water,  W-­‐Smart,  CEA,  KWR,…  

Energy  

-­‐  Op3mal  management  -­‐  Security    -­‐  Renewable  Energy  

•  Dalkia  :  District  hea3ng  •   LMH  :  Social  housing  •  Eiffage  :  Electrical  Grid  

Informa3on  system  and  sotware  tools  

Start-­‐Ups  :  Stereograph,  Noolioc,  Madetech,  Effigenie,  E3neo,    Calm-­‐water  

Smart  Urban  networks  Demonstrator    (SunRise)  

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Project  Implementa3on      

(Water  Example)  Smart  Water  Network  

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I)  Leakage  :  smart  consump3on  meterin  

!Cité!Scien*fique!(5)!!!

4!Cantons!

ECL!!

M5!

Bachelard!•  Meshed  network    •  16  km  •  77  ARM  •  145  Buildings  

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Objec3ves  of  the  smart  water  network  

1)  Improve  the  management  of  the  water  system    •  Assets  management    •  Leakage  detec3on    •  Early  contamina3on  detec3on  •  User  awareness  •  Energy  saving  2)  Academic    •  Research,  innova3on    •  Educa3onal  plakorm    •  alrac3veness  

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3)  Research  and  innova3on  ins3tu3ons    •  Lille1  University  •  CEA-­‐LIST    (French  Atomic  Agency)  •  KWR  (Netherland)  

1)  W-­‐Smart  (Interna3onal  associa3on  of  ci3es  and  water  operators  for  water  security)  

 2)  Water  companies  :  •  Eaux  du  Nord  (Suez  Environment)    •  Eaux  de  Paris  •  Vitens  (Netherland)  •  Thames  (GB)  •  Acciona  (Spain)  

Partners  of  the  smart  water  network  

4)  SMEs  :  • Calmwater  • CITC-­‐Innova3on  Center  • Stereograph  

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TWUL  Demo  site  London  

 

Smart  Caceres  Caceres  

 

VIP  Leeuwarden  

 

Sunrise  Demo  site  Lille    

ü  Project  Budget:  12M€  ü  EU  funding:  FP7  INNO  DEMO    ü  Project  dura3on:  4  year  ü  Project  Management:  Vitens  N.V.  

 

ü  12  innova3ve  SMEs  ü  3  water  u3li3es  ü  3  research  ins3tutes  ü  1  company  ü  2  plauorm  organiza3ons  

European  Project  SmartWater4Europe  

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 Water  Consump3on  by  sector  

!

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!Cité!Scien*fique!(5)!!!

4!Cantons!

ECL!!

M5!

Bachelard!Chemistry  Sector  

Biology  Sector  

Smart  metering  

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EPANET  Numerical  Modeling  

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Intellisonde  Optiqua EventLab:    

Bio-­‐contamina3on  monitoring    Innova3ve  sensors  

 S::Scan  

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SunRise  –  Distric  hea3ng  

•  Analysis  of  the  energy  system  of  the  campus  :  consump3on,  resources  and  distribu3on.  

•  Building  consump3on  profile  •  Adapta3on  of  energy  produc3on  to  energy  demand    •  Integra3on  of  mul3-­‐energy  sources    

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Smart Grid – District heating (20 km)

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District  Hea3ng  network    

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Building  P1  

Real  Time  monitoring  :    Energy  heat  consump3on  

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43  %  

61  %  

EUDIL  G  

C1,  C3  ,C4  

IUT  

M1  

SN1,2,3  P5  

P1  +  cul  

EUDIL  G  

IUT  

M1  

P1  

P5   C1  

SN  

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Originality  of    the  SunRise  Project  

•  One  Owner  of  the  Campus    •  Strong  mul3disciplinary  academic  ac3vity  •  Strong  private  and  public  partnership    •  Large  renova3on  projects  (buildings  and  infrastructures)  • Mul3  urban  networks  (Energy,  water,…)  •  Interac3on  buildings  and  urban  networks  •  Interac3on  with  end-­‐users  

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Energy  :  •  Over  all  Comprehensive  Energy  analysis  -­‐renewable  energy  sources    (ERDF)  

•  Smart  Grid  District  Hea3ng  (instrumenta3on,  sotware,  exper3se,  ..)  (DALKIA)  

•  Smart  Grid  -­‐  Electrical  Network  (ERDF,  Eiffage  Energy)  •  Smart  Building  (new  construc3on,  rehabilita3on)  (LMH,  Projex)  

water:  •  Smart  Grid  drinking  water  net  :  Instrumenta3on,  sotware  development,..  

•  Smart  Grid  for  sewage  network  

Under  progress:  

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SunRise    Community  :  •  Faculty  members  •  Technical  staff,    •  PhD  and  Master  degree  students  

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Le  point  septembre  2013  

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LA TRIBUNE VENDREDI 25 OCTOBRE 2013

TERRITOIRES / FRANCE16

GENEVIÈVE HERMANN, À LILLE

L’expérimentation en cours à la Cité scien-tifique de Villeneuve-d’Ascq constitue pour B r u n o N g u y e n ,

directeur des relations internatio-nales et de la sûreté d’Eau de Paris, « un cas d’école sur la manière dont les opérateurs optimiseront demain la gestion des réseaux urbains, qu’il s’agisse de distribution d’eau, de chauffage ou d’électricité ». Portée par le projet de recherche Sunrise (« lever de soleil »), la transforma-tion de ce site de 110 hectares en smart city serait unique en France, si l’on en croit ses promoteurs. Le seul à traiter de multiréseaux en grandeur réelle. Une application concrète du déploiement de l’Inter-net de l’énergie que recommande l’économiste américain Jeremy Rifkin, l’auteur de La Troisième Révolution industrielle (éd. Les liens qui libèrent), dans sa feuille de route engageant le Nord-Pas-de-Calais vers une transition énergé-tique fondée sur les énergies renou-velables et la communication en réseaux dématérialisés.

Avec ses 23"000  usagers, ses 140  bâtiments et ses 70 km de réseaux urbains, le campus de l’uni-versité Lille 1 a tout d’une petite ville. C’est l’avantage. Le projet s’y construit brique par brique. Il se penche d’abord sur la question de la distribution d’eau, avant de s’at-taquer au chauffage urbain, aux logements, puis aux consomma-tions d’électricité et à l’optimisation de la gestion des systèmes d’assai-nissement. « Nous avons également

en perspective de travailler sur les transports et la mobilité », précise Isam Shahrour, directeur du labo-ratoire Génie Civil et géo-environ-nement (LGCgE) de Lille 1, à l’ori-gine du projet Sunrise.

ÉVALUER LA CONSOMMATION D’ÉNERGIE EN TEMPS RÉELSur l’eau, Sunrise profite du parte-

nariat de GDF Suez via ses filiales Eau de Paris et Eaux du Nord. Dal-kia apporte son savoir-faire en matière de gestion de chauffage urbain. Le bailleur LMH (Lille Métropole Habitat) travaille avec le LGCgE sur la conception d’un boî-tier « intelligent » capable d’analyser un tas de mesures comme la tempé-rature ambiante, les consomma-

tions énergétiques, le taux d’humi-dité et le taux de pénétration de l’air. Le fournisseur d’électricité renou-velable Planet Oui est également de la partie, ainsi que le Centre d’Inno-vation des Technologies sans Contact (CITC) – EuraRFID, par-tenaire de la première heure en tant qu’expert des technologies sans-contact et de l’Internet des objets.

Les premières expérimentations sur le terrain ont démarré deux ans et demi seulement après le lance-ment du projet de recherche. C’est très rapide. Mais comme l’univer-sité gère elle-même son réseau d’eau, ça facilite les choses. « On évite ainsi les lourdeurs administra-tives », précise Bruno Nguyen. D’ici à quelques mois, les 77 compteurs

d’eau installés sur le campus seront tous équipés d’un système de relève à distance qui leur permettra de transmettre en temps réel les consommations à un système de gestion centralisée. Cette télérelève servira en premier lieu à identifier les fuites d’eau. Viendront ensuite bien d’autres applications. Mettre en place un contrôle des douches chaudes, savoir combien coûte le lavage d’une terrasse, envoyer une alarme en cas de consommation inhabituelle dans un laboratoire, etc. Les idées ne manquent pas. « Impossible de les imaginer toutes. C’est du terrain qu’elles émaneront. Grâce à Sunrise, nous pourrons remonter les demandes des usagers et répondre aux problèmes concrets de mise en œuvre. D’où l’intérêt d’un tel projet », explique Jean-Marc Charlemagne, directeur de l’eau aux Eaux du Nord.

Une dizaine de thésards et une quinzaine de chercheurs post- doctorants travaillent déjà sur cette ébauche de smart city. Beaucoup planchent sur la conception de modèles mathématiques qui per-mettront de prévoir les actions à mener en vue de réduire les consommations énergétiques selon l’état de la météo, l’affluence des salles, l’usage des résidences, l’his-torique des dépenses, le profil des

usagers et biens d’autres critères non encore identifiés. Ils s’appuient pour démarrer sur l’historique des factures d’eau gérées par les ser-vices généraux de l’université.

Sunrise est un des quatre démons-trateurs du projet européen (FP7) SmartWater4Europe et le seul fran-çais au côté de Vitens, le principal distributeur d’eau potable des Pays-Bas, de l’espagnol Acciona et du britannique Thames Water. Il béné-ficie de l’expertise d’Ilan Juran, spécialiste de l’ingénierie des infrastructures urbaines et profes-seur émérite à l’Institut Polytech-nique de New York en charge de la chaire industrielle Réseaux urbains intelligents – Eau, financée par Lille  1, le CITC – EuraRFID et Eaux du Nord.

Outre un surcroît de visibilité pour le projet Sunrise, cette chaire a également permis la création d’un Master International « Ingénierie urbaine et Habitat » en collabora-tion avec l’École des Mines de Douai et l’École nationale supé-rieure d’architecture et du paysage de Lille. Tout est donc réuni pour faire de Lille un site pilote interna-tional de ce que sera demain la « ville intelligente ». De quoi fournir aux adeptes des concepts de Jeremy Rifkin un cas concret avec retours d’expérience. �

Jeremy Rifkin, le chantre de la « troisième révolution industrielle », rend vendredi 25 octobre la feuille de route commandée par la région pour engager le Nord-Pas-de-Calais vers la transition énergétique. Le projet, qui vise à transformer le campus universitaire de Lille en petite ville intelligente, pourrait faire figure de cas d’école.

À Lille, Jeremy Rifkin transforme le campus en « ville intelligente »

LA BONNE OPÉRATION

Ci-contre, une vue aérienne de la Cité scientifique de Villeneuve-d’Ascq et, ci-dessus, la représentation virtuelle de ses réseaux urbains d’eau, de chauffage et d’électricité. [DR]

-!60!% de consommation d’énergie en 2050Si les préconisations dévoilées vendredi 25 octobre par Jeremy Rifkin en clôture de la 7e édition du World Forum Lille sont mises en œuvre, le Nord–Pas-de-Calais aura réduit, en 2050, de 60#% sa consommation énergétique et divisé par quatre ses émissions de gaz à effet de serre. La région aura investi massivement dans les énergies renouvelables et lancé un programme de rénovation urbaine baptisé Zen-e-Ville. Ce territoire couvrira alors 100#% de ses besoins énergétiques.Le plan de l’économiste américain reprend les

cinq piliers de sa vision futuriste de la transi-tion énergétique avec, en plus des énergies renouvelables et des bâtiments producteurs d’énergie, le stockage de l’énergie, les réseaux intelligents et les transports non polluants. En se payant (350#000 euros) les services du chantre de la « troisième révolution indus-trielle », le territoire part sur des objectifs ambitieux et se place surtout sous les feux de la rampe sur la scène internationale. De son côté, Jeremy Rifkin a trouvé un terrain de jeu où expérimenter ses concepts. � G.H.

FOCUS

La  Tribune  octobre  2013  

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!

Alliance  Janvier  2014  

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Libéra3on  Mai  2013  

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SunRise  Sur  BFM  Business  28  avril  2013  

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TEDx  Lille  «  La  nouvelle  renaissance  »,  8  mars  2014      

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World  Bank,  Washington    MEDEF  Interna3onal  delega3on