À l’occasion de son discours, le président-directeur général de VINCI a insisté sur l’importance de la collaboration rapprochée entre collaborateurs de VINCI et scientifiques : « nos opérationnels sont de plus en plus impliqués dans les avancées de la recherche, tandis que les chercheurs s’impliquent dans l’expérimentation de leurs hypothèses et la mise en pratique de leurs travaux. Et les uns et les autres défrichent ensemble les solutions environnementales que nous proposerons demain à nos clients ». Il a ensuite rappelé que le programme Recherche & Solutions, qui a marqué l’actuelle séquence du lab recherche environnement, a été un résultat exemplaire de cette démarche de co-construction.

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L’épisode explore comment l’énergie solaire peut être captée par une « route solaire » pour ensuite être réutilisée pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire d’un bâtiment.  Pour Lucas Striegel, ingénieur de recherche aux MINES Paris PSL, le bâtiment et la route peuvent être considérés comme un tout dès la phase de conception. Son terrain d’expérimentation est la technologie Power Road développée par Eurovia, qui est capable de produire de l’énergie thermique et la distribue aux bâtiments aux alentours. Ses travaux sont un exemple de coopération entre monde de la recherche et monde de l’entreprise au service de la transition énergétique et écologique.

À Fleury-sur-Orne, en Normandie, où l’infrastructure Power Road a été mise en place sur un parking. Elle permet d’approvisionner les logements autour du parking en chauffage. Ce projet tire son origine d’une demande du maitre d’ouvrage, qui souhaitait s’inscrire dans une démarche de développement durable poussée. Le fonctionnement technique de l’infrastructure est expliqué par Aurélien Gallé, responsable commercial de Power Road en Normandie chez Eurovia. Il en détaille ainsi les modalités point par point, du captage jusqu’à la distribution aux bâtiments connectés au réseau, en passant par le stockage.

La description d’Aurélien Gallé est complétée par Valentin Bour, ingénieur à la direction technique d’Eurovia. Ce dernier rappelle également les grands enjeux de la ville durable auxquels une infrastructure de ce type permet de répondre, en insistant sur les trois usages de Power Road (fournir de l’énergie pour le chauffage de bâtiments, ainsi que l’eau chaude sanitaire, déneiger en hiver). Il précise également les conditions pour mettre en place un tel projet.

Le podcast « le chantier de la ville durable » a pour objectif de faire découvrir et diffuser la recherche sur la ville durable et les meilleures pratiques environnementales. Il donne ainsi la parole à des chercheurs, des startups et des usagers qui expérimentent des projets innovants sur les bâtiments, quartiers et infrastructures de demain. Le podcast se caractérise notamment par l’immersion sonore dans le lieu des projets évoqués qu’il propose aux auditeurs.

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La transition énergétique fait face à trois enjeux dans le secteur du bâtiment : l’enjeu environnemental, l’enjeu énergétique et l’enjeu économique. Afin de résoudre les problématiques associées, une combinatoire d’actions est nécessaire qui inclut la production de l’énergie aussi bien que sa consommation. Il convient d’implémenter des stratégies de régulation pour une gestion optimale de l’énergie au sein du bâtiment. Ainsi, une meilleure maîtrise de l’énergie permettra de réduire les impacts environnementaux et les coûts. Ces stratégies doivent inclure une production renouvelable locale et être applicables à une échelle multi-bâtiment.

Objectifs

Il s’agit de proposer une méthode de gestion optimale de l’énergie applicable au niveau multi-bâtiments avec une intégration de la production renouvelable et d’un éventuel stockage. La gestion optimale est appliquée dans une logique prédictive en vue de prendre en compte les erreurs de prévisions (météorologiques et d’occupation). Différentes applications sont envisagées pour tester et valider l’approche. Le défi sera de proposer une méthode opérationnelle rapide et facile d’implémentation tout en produisant des résultats fiables.

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Les données numériques au service de la mobilité durable

Comme l’a illustré Kamal Berrada, responsable de la section instrumentation et intelligence artificielle chez Eurovia, l’analyse du cycle de vie (ACV) est un des outils qui permettent de mesurer et réduire l’empreinte carbone des infrastructure routières. Le cycle de vie des produits d’Eurovia est pris en compte dès leur conception grâce à des outils de dimensionnement des infrastructures routières qui permettent d’optimiser les choix techniques, environnementaux et financiers. Deux outils ont été développés afin, d’un côté, d’ausculter la surface de chaussée par intelligence artificielle et, de l’autre, de mesurer la durée de vie résiduelle de la structure à travers des capteurs routiers. L’ensemble de ces outils permet un gain substantiel sur les émissions carbone.

Lire la présentation de Kamal Berrada

Le numérique présente également des avantages pour comprendre les motifs de mobilité des usagers des infrastructures de transport. C’est l’objectif de la thèse de Danyang Sun, doctorant du LVMT (Laboratoire Ville Mobilité et Transports) à l’École des Ponts ParisTech, qui s’appuie sur des données anonymes de GPS pour observer les déplacements en Île-de-France, avec une attention particulière aux trajets du domicile au lieu de travail. Il a développé une méthode basée sur ces données numériques pour identifier les zones dédiées à l’emploi, les zones résidentielles et les déplacements qui ont lieu entre ces deux zones. Il est possible d’observer que l’activité qui caractérise le réseau de déplacements du domicile au lieu de travail est plus dense.

Lire la présentation de Danyang Sun

La mesure permet d’observer les habitudes des voyageurs, mais aussi d’améliorer les prévisions. Les données sur les comportements de mobilité permettent à Tatiana Seregina, chercheuse du LVMT à l’École des Ponts ParisTech, de calibrer et donc améliorer la fiabilité du modèle de simulation multi-agents MATSim. La modélisation multi-agents vise à reproduire finement les comportements de mobilité des individus et leurs réactions face à des évolutions de l’offre de transport. Cet outil sert ainsi à éclairer les décideurs dans l’évaluation de scénarios de mobilité. La calibration du modèle MATSim est essentielle pour estimer correctement les différents impacts, notamment environnementaux, des services et de politiques de transport innovantes.

Lire la présentation de Tatiana Seregina

La mesure de la biodiversité

L’empreinte écologique des infrastructures linéaires de transport inclut différents impacts sur l’environnement : des émissions carbone jusqu’à la fragmentation des territoires, souvent mise en avant par les écologues. Fort du constat de cette externalité négative, VINCI Autoroutes a proposé la construction d’ouvrages plus ambitieux, mieux adaptés à toute la faune. Comme l’a expliqué Philippe Chavaren, responsable du domaine nature, paysage et dépendances vertes chez ASF, la disponibilité de données fiables sur l’utilisation des passages faunes (écoducs et écoponts) par les animaux permet de progresser dans la construction et l’aménagement de ces passages. Ces mesures permettent également de répondre de manière factuelle aux éventuelles critiques et idées reçues sur les impacts des autoroutes.

Lire la présentation de Philippe Chavaren

La mesure de la biodiversité représente un enjeu à la fois opérationnel et scientifique. L’exposé de Bruno Colas, professeur à l’Université Paris Saclay, portait sur ce deuxième aspect. Il a montré comment sont construits les principaux indices de diversité. Toutefois, le classement des entités dont on veut estimer la diversité et le choix des indices dépendent de notre perception subjective de la diversité. Les mesures de diversité du vivant, tout en étant utiles à des fins de comparaison, sont donc un reflet partiel, partial, et éphémère de la biodiversité.

Lire la présentation de Bruno Colas

Les travaux de recherche menés par Tania De Almeida à AgroParisTech visent à combler une partie de ces lacunes à travers un projet dédié aux services écosystèmiques de l’agriculture urbaine. Elle a souligné que les connaissances sur la biodiversité en ville, et en particulier en agriculture urbaine, sont encore limitées et concernent majoritairement les plantes, les pollinisateurs ou encore l’avifaune. Les organismes du sol, bien que jouant un rôle primordial dans le fonctionnement des sols et les services écosystémiques associés (ex. recyclage de matière organique) ne sont que rarement étudiés sur les toitures potagères. Pour que la faune du sol (macrofaune, mésofaune et microfaune) soit davantage prise en compte dans les études portant sur l’agriculture urbaine, il est donc primordial de savoir mesurer leur biodiversité.

Lire la présentation de Tania De Almeida

Mesurer et améliorer la qualité de l’air et l’efficacité énergétique du bâtiment

La mesure est efficace quand elle fournit une vision globale des enjeux environnementaux. Dans le secteur du bâtiment, l’efficacité énergétique et la qualité de l’air font l’objet de mesures à prendre en compte pour améliorer la performance environnementale selon une approche systémique. C’est notamment l’objectif les campagnes d’instrumentation qui sont menées par VINCI Construction France pour développer et maitriser la qualité de l’air à toutes les étapes d’un projet de construction. Ce retour d’expérience a été illustré par Ludovic Marchini, expert du sujet de la qualité de l’air intérieur au sein du pôle performance durable.

Lire la présentation de Ludovic Marchini

En phase d’exploitation du bâtiment, la mesure reste indispensable. En ce qui concerne les consommations énergétiques, un suivi est réalisés par les maîtres d’ouvrage pour réduire ces consommation. Suite au décret de rénovation tertiaire, les besoins de réduction de consommation et donc la mesure ont pris une importance accrue. En s’appuyant sur des exemples, Bruno Peuportier et Patrick Schalbart des MINES Paris PSL ont montré dans leur présentation comment améliorer la pertinence d’un diagnostic ou optimiser une stratégie de gestion à travers : la mesure des pertes thermiques (en autocontrôle ou à la réception), la garantie et la vérification des performances, mais aussi le calibrage de modèle. Les deux chercheurs ont ensuite expliqué que l’utilisation de mesures pour le développement de modèles est une piste supplémentaire, selon des approches d’intelligence artificielle ou d’identification de lois empiriques. En effet, le retour d’expérience sur des bâtiments réalisés pourrait réduire l’écart entre l’évaluation en conception et le résultat constaté en exploitation.

Lire la présentation de Patrick Schalbart et Bruno Peuportier

La mesure au service du développement de modèles est un point clé de la thèse de Rachna Bhoonah, doctorante aux MINES Paris Psl, dont l’objectif est d’intégrer la qualité de l’air intérieur à l’analyse du cycle de vie (ACV) des bâtiments. Les polluants émis dans l’air intérieur peuvent nuire à la santé des occupants qui y sont directement exposés. C’est pour cette raison qu’une prise en compte de la qualité de l’air dans l’ACV est importante, notamment pour dimensionner une ventilation optimale, en prenant en compte à la fois les dommages sur la santé liés à ces polluants et à la consommation énergétique. Afin de quantifier les impacts de la qualité de l’air sur la santé humaine, les mesures servent à développer des modèles, tels que des relations empiriques décrivant la dynamique d’émission des polluants ou leur toxicité. Des mesures de concentration de polluants émis par des matériaux dans des chambres de test sont aussi utilisées pour le calibrage de ces modèles.

Lire la présentation de Rachna Bhoonah

L’invité du Lab

La mesure permet de progresser là où l’incertitude est reine, par exemple dans le domaine du photovoltaïque et ses enjeux liés à l’autoconsommation. L’émergence de ce sujet présente des difficultés mises en évidence par Etienne Wurtz, directeur scientifique de l’Institut National de l’Énergie Solaire (INES) au CEA, dans un exposé qui a clôturé l’université. Un changement d’échelle est nécessaire dans le développement des travaux de recherche pour se tourner vers un couplage entre bâtiments, réseaux, mobilité et stockage. L’importance de la mesure a conduit son équipe à développer des travaux de métrologie tant sur le site expérimental de l’INES que sur des sites occupés prenant en compte conditions météorologiques et typologies d’usages des bâtiments.

Lire la présentation d’Etienne Wurtz

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Quelles sont les tendances de marché du photovoltaïque et du photovoltaïque intégré au bâtiment (BIPV) et les perspectives d’évolution technologique ? 

Romain Besseau : À l’échelle mondiale et jusqu’à présent, la filière photovoltaïque (PV) connaît une croissance exponentielle. La capacité installée augmente évidemment d’une année sur l’autre, mais on observe également un accroissement de cette hausse de la capacité installée d’une année sur l’autre.

À l’échelle de la France métropolitaine, les scénarios envisagés lors des travaux récemment présentés par RTE, l’entreprise chargée du transport d’électricité en France, considèrent tous une augmentation significative de la production d’énergie photovoltaïque. Cela va de 70 GWc de puissance installée à horizon 2050, soit une multiplication par 7 par rapport à 2018 dans un scénario avec un fort renouvellement du parc électronucléaire, à plus de 200 GWc ce qui correspond à une multiplication par 22 de la puissance installée dans un scénario sans nouveau nucléaire et une faible prolongation du parc électronucléaire existant. Quelle que soit la décision qui sera prise, cela confirme que la filière photovoltaïque aura son rôle à jouer dans l’avenir énergétique en France métropolitaine. Ce rôle sera encore plus important dans les territoires d’outre-mer.

Enfin, il est à noter le développement de l’autoconsommation d’énergie PV, notamment permis par la baisse des coûts de production d’énergie PV. Il est de plus en plus fréquemment rentable de consommer l’énergie PV pouvant être produite localement plutôt que l’électricité issue du réseau. Une telle autoconsommation à l’échelle individuelle ou collective permet de répondre à une partie des besoins, qui sera d’autant plus importante que la consommation sera en adéquation temporelle avec la production PV et donc l’ensoleillement.

Pauline Grougnet : L’écosystème du photovoltaïque est effectivement très dynamique, porté par des réglementations de plus en plus exigeantes, des acteurs et des citoyens engagés et une offre très variée d’applications et de services.

En France, les grandes centrales solaires au sol tirent vers le haut le marché du photovoltaïque, mais les pratiques et la recherche de fonciers évoluent. En effet, la reconversion d’anciens sites, démilitarisés, industriels ou pollués, est aussi privilégiée. Un exemple marquant est la mise en service d’une centrale de 15MWc en octobre 2020 sur l’ancien site de l’usine « AZF ».

Les centrales vont aussi se déployer massivement sur les toitures de bâtiment, portées par la loi Climat et Résilience qui impose que, dès le 1^er janvier 2023, les nouveaux bâtiments commerciaux, artisanaux, industriels, entrepôts et hangars de plus de 500 m2, et les bâtiments de bureaux de plus de 1000 m2 devront végétaliser ou solariser 30 % de leur surface.

Cette même loi impacte les ombrières photovoltaïques de parking installées sur tout nouveau parc de stationnement construit à partir du 1^er janvier 2024 et qui concernera 100% de leur surface.

D’autres manières d’installer de grandes capacités de production sont également ciblées par les grands producteurs et fournisseurs d’énergie (Akuo Energy, EDF, TotalEnergies…) comme l’agrivoltaïsme et le PV flottant.

Dans une moindre mesure, le photovoltaïque intégré au bâtiment ou BIPV [1]émerge de manière plus au moins rapide au sein des pays de l’Union européenne. La Suisse, l’Allemagne et l’Autriche disposent de nombreuses références, mais l’autoconsommation, la mobilité électrique des occupants et citoyens et encore le nouvel arrêté tarifaire du 8 octobre 2021 devraient contribuer à son développement massif en France.

Au niveau des technologies, on observe sur le marché des nouveaux formats de cellules silicium. Pour l’instant, la taille définitive ne fait pas consensus dans la profession, mais la cellule de 158mm sera abandonnée pour des tailles de 161mm, 182mm voire 210mm ! Mais face au contexte actuel de difficultés d’approvisionnement, notamment en matériaux semi-conducteurs, les industriels réfléchissent à des solutions alternatives pour créer des cellules et matériaux photovoltaïques comme les films organiques par exemple.

Enfin, à tout cela se superposent de multiples offres de services : les PPA (Power Purchase Agreements), le tiers financement, les coopératives d’électricité verte et citoyenne, la location de modules photovoltaïques pour particuliers, etc.

Le photovoltaïque soulève des questionnements sur son empreinte carbone. Quelles solutions sont-elles portées par la recherche et par l’entreprise pour assurer un bilan carbone positif ? 

Romain Besseau : La question de l’empreinte carbone du PV mérite d’être posée et sérieusement étudiée. S’il est vrai qu’une fois installé un système PV n’engendre aucune émission de gaz à effet de serre (GES), les panneaux PV ne poussent pas dans les arbres : il faut de l’énergie et des matériaux pour produire les composants d’une installation PV ce qui engendre indirectement des émissions de GES. Ainsi, l’estimation de l’empreinte carbone de la filière se doit de considérer les émissions ayant lieu de l’extraction des matières premières à la fin de vie du système. On utilise pour cela une méthode appelée Analyse de Cycle de Vie (ACV). De nombreuses ACV de la filière photovoltaïque conduisent à des estimations de l’empreinte carbone allant de 40 à 100 gCO2eq/kWh. À titre de référence l’empreinte carbone du mix électrique européen est de l’ordre de 400 gCO2eq/kWh.

Il se trouve que les estimations de l’empreinte carbone du PV reposent sur des données anciennes qui conduisent à une surestimation de l’empreinte carbone de la filière. En effet, j’ai pu montrer dans le cadre de mes travaux de recherche que les données considérées pour l’ACV correspondent à la performance de la filière PV en 2005, ce qui est problématique quand on connaît les progrès accomplis par la filière PV depuis cette époque correspondant au début de la filière. J’ai développé un modèle paramétré qui permet de tenir compte de l’amélioration du rendement des modules PV, de la réduction de la masse des composants tels que les onduleurs, de l’efficacité des procédés de raffinage du silicium et production de cellules PV, et qui montre comment cela conduit à une division par 2 ou 3 de l’empreinte carbone de la filière PV. Les leviers pour la réduire davantage sont de poursuivre l’amélioration des rendements des panneaux, et de l’efficacité des procédés de production des cellules en silicium cristallin, ainsi que le recours à une électricité la plus décarbonée possible pour la production de ces cellules qui reste énergivore bien que beaucoup moins que par le passé.

Pauline Grougnet : On peut aller plus loin dans la réduction de cette empreinte en cherchant à intégrer le photovoltaïque comme un élément fonctionnel de l’enveloppe du bâtiment et non plus comme un ajout, un complément qui n’a que comme seule utilité, la production d’énergie. Cette approche d’enveloppe photovoltaïque permet de mutualiser les moyens (i.e. les systèmes d’intégration) et d’exploiter des surfaces et applications que l’on avait prévu de construire, actives ou non !

Quels points de vigilance sont-ils à prendre en compte en ce qui concerne des impacts environnementaux autres que le carbone ?

Romain Besseau : Les émissions de GES sont loin d’être la seule problématique environnementale à considérer. L’ACV permet d’étudier aussi bien l’impact sur le changement climatique, que les impacts sur les écosystèmes, la santé humaine ou bien les ressources au sens large : qu’il s’agisse de terre, d’eau ou de minéraux.

Nous avons vu précédemment que l’empreinte carbone du PV est faible sur son cycle de vie. Le PV va engendrer des impacts sur les écosystèmes et la santé humaine notamment lors de l’extraction des matières premières, des phase de raffinage et de production de modules PV.

Il existe beaucoup d’idées reçues à propos de l’utilisation de terres rares dans les panneaux PV. L’écrasante majorité du marché repose sur des cellules en silicium et cette technologie ne nécessite aucune terre rare. Certaines technologies spécifiques utilisent des terres rares, mais correspondent à des applications ultras spécifiques comme l’industrie spatiale qui utilise des panneaux multicouches. La filière PV reste néanmoins mobilisatrice de ressources minérales comme le cuivre pour la production de câble, des onduleurs, ou bien d’acier et d’aluminium pour les supports de modules PV. C’est pourquoi il est nécessaire de recycler efficacement ces systèmes.

La filière PV peut avoir une empreinte spatiale importante lors qu’elle est installée au sol. Cependant, le potentiel en toiture de bâtiment est loin d’être épuisé, ce qui est encore plus vrai avec les façades de bâtiments. Il apparaît important de privilégier l’installation de systèmes PV sur des surfaces déjà artificialisés.  Enfin, des réflexions et expérimentations sont en cours afin de développer des co-usages entre la production d’électricité PV et l’agriculture. 

Un aspect qui mérite d’être évoqué et évalué sont les impacts potentiellement induits par la météo-dépendance de la production PV, des moyens de stockage peuvent alors devenir nécessaires pour répondre à la consommation ce qui rajoute une couche d’impacts environnementaux.

Pauline Grougnet : Grâce à cette approche d’enveloppe photovoltaïque, le photovoltaïque présente aussi des externalités positives, parfois méconnues ! Bien sûr le premier intérêt est qu’en exploitant des surfaces complémentaires à la toiture, on augmente la puissance installée de l’installation photovoltaïque, contribuant ainsi à la réalisation de bâtiments à énergie positive et sans pour autant recourir à des emprises foncières supplémentaires. Ensuite, les solutions existantes et proposées par les industriels du BIPV présentent une grande variété de rendus esthétiques pour s’adapter au milieu environnant, notamment lorsque l’intégration esthétique et paysagère est primordiale sur et à proximité de sites protégés. Enfin, dans des applications semi-transparentes, les solutions photovoltaïques permettent d’améliorer le confort des occupants et de réduire les besoins énergétiques. Judicieusement positionnées dans un mur rideau, une double peau ou une verrière, les cellules photovoltaïques vont non seulement produire de l’électricité, mais aussi agir comme des milliers de mini brise-soleil. D’une part, les solutions vont laisser pénétrer la lumière naturelle, tout en maîtrisant l’éblouissement et la chaleur transmise, pour un meilleur confort des occupants. D’autre part, en optimisant le calepinage des cellules, ce sont typiquement de 20% à 25% des charges de climatisation qui peuvent être réduites sous une verrière.

Quels sont les bénéfices d’un dialogue entre recherche et entreprise et quelle pourrait être la suite de ces échanges ?

Romain Besseau : Ayant eu la chance de travailler dans le secteur du photovoltaïque avant de faire de la recherche, j’avais une connaissance approfondie de la filière qui m’a permis de m’apercevoir de l’obsolescence des données utilisées pour l’évaluation de l’empreinte carbone de la filière. Sans cette connaissance, je n’aurai probablement pas remis en question la représentativité de ces données et les aurait utilisées telles quelles. Le renforcement d’un dialogue entre recherche et entreprise permet d’éviter des situations de ce type. Enfin, la recherche a également besoin de financement pour fonctionner, et elle peut apporter son expertise au monde de l’entreprise et être source de création de valeur par la prise de décisions éclairées.

Pauline Grougnet : Il est primordial que la recherche et l’entreprise continuent de dialoguer. Pour la recherche, il est vital qu’elle soit connectée au marché, aux pratiques, à la « vraie vie » des projets et des utilisateurs/ consommateurs des études et résultats. En étant adossé à la recherche, l’entreprise reste au fait des techniques et technologies qui pourraient arriver et ainsi anticiper des changements dans ses pratiques, méthodes et son organisation pour ne pas les subir et rester concurrentielle. Si elle n’a pas le temps et/ou les moyens pour le faire, l’entreprise, notamment pour des bureaux d’études comme ActivSkeen, a tout intérêt à mobiliser des chercheurs ou plus largement des structures comme le lab recherche environnement pour mettre à jour ses bases de données, explorer des études de cas, développer des outils de simulation…cela lui permet de gagner du temps, mais également de gagner en robustesse dans l’accompagnement technique qu’elle peut proposer par la suite à ses clients, souvent non-sachants. Grâce aux travaux de Romain, mais surtout grâce à leur diffusion et vulgarisation, ActivSkeen a pu mettre à jour ses données et ses méthodes pour évaluer l’empreinte carbone des systèmes photovoltaïques que nous dimensionnons et prescrivons tous les jours. Les suites de cet échange sont nombreuses, mais élargir le scope de l’analyse de l’empreinte environnementale en considérant les systèmes d’intégration et les usages de l’énergie serait intéressant à pousser.

[1] Définition du BIPV (Building Integrated Photovoltaics) : Remplacer les matériaux traditionnels utilisés dans l’enveloppe du bâtiment par des matériaux photovoltaïques assurant strictement la même fonction que celle remplacée.

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Le 25 juin 2021 Sandrine Vergne (Eurovia) et Lucas Striegel (MINES ParisTech) nous ont présenté cette technologie innovante développée par Eurovia et les travaux de recherche menés dans le cadre du programme Recherche & Solutions proposé par le lab.

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Sandrine Vergne (Eurovia) et Lucas Striegel (MINES ParisTech) échangeront autour de cette technologie innovante développée par Eurovia et les travaux de recherche menés dans le cadre du programme Recherche & Solutions proposé par le lab.

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Présentation à La Factory de VINCI Energies.Visite du démonstrateur de WINDmyROOF sur l'esplanade de La Défense.Présentation du prototype WindBox de WINDmyROOFLa WindBox sur le toit-terrasse du Point Info du parvis de La Défense.

Vidéo du prototype WindBox.

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