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Environnement

Environnement

Modélisation, simulation et technologies pour l’Environnement et le Développement Durable (énergie, eau, aménagement des territoires).

Introduction

Pour préserver le futur, l'humanité doit affronter des défis majeurs: comprendre et anticiper les changements climatiques, freiner la désertification, remédier à la perte de biodiversité des écosystèmes, éviter la pollution des milieux air-eau-sols, pallier l'augmentation des déchets, couvrir les besoins en eau potable, garantir un avenir viable aux générations futures malgré l'accroissement de la population mondiale et les problèmes de santé, d'alimentation et d'éducation qui lui sont liés... Les scientifiques et ingénieurs sont aujourd'hui confrontés à de nouveaux défis en matière d'environnement naturel, architectural et construit : les perspectives de changements climatiques, l'accroissement conséquent des risques naturels et de la vulnérabilité des environnements urbains, la préservation des grands équilibres de la biosphère (écosystèmes, biodiversité), l'épuisement prévisible des ressources naturelles (énergies fossiles) et les atteintes continues à l'environnement (pollution de l'air et des eaux, contamination des sols) sont autant de sujets complexes dans lesquels la modélisation et la simulation peuvent aider à formuler et proposer des réponses pertinentes.

Cette approche, déjà mise en œuvre depuis plusieurs années mais principalement dans une démarche disciplinaire, nécessite l'acquisition de données à l'aide de nouvelles générations de capteurs, le développement de nouvelles méthodologies d'analyse et d'archivage de l'information et la conception de nouveaux outils informatiques, mathématiques et numériques permettant de représenter la complexité des systèmes, d'étudier leur comportement dynamique et de les simuler afin d'aider à la prise de décision. Elles offrent aussi de vrais outils issus de la science du contrôle (dite «automatique») pour contrôler et offrir un fonctionnement optimal des dispositifs et systèmes qui impactent l'environnement. Par essence et par sa dimension sociétale, cette démarche est de nature pluridisciplinaire et doit associer les différents acteurs impliqués dans la gestion des environnements naturels et construits

Recherche

L'objectif commun de recherche au sein du thème est de répondre, par des solutions innovantes, au plus important défi des sociétés modernes : garantir un cadre de vie durable. Ce domaine multiple nécessite des recherches à long terme, pluridisciplinaires et internationales.

Les sociétés se développent aujourd'hui dans des environnements construits de plus en plus complexes – plus de 50% de l'humanité vit dans des villes dont la taille moyenne ne cesse de progresser – et qui doivent se développer sans venir remettre en cause la pérennité des environnements naturels. Dans ce contexte particulier, les STIC et en particulier les outils de modélisation sont appelés à assister le développement des milieux urbains, à protéger et à exploiter de manière pérenne nos environnements naturels. Cette approche implique le développement de plusieurs thématiques de recherche qui s'organisent principalement autour de trois axes:

  • l'optimisation et la gestion des environnements construits conformément aux attentes sociétales, dans le respect des ressources et des environnements naturels;
  • la surveillance (monitoring et simulation) des environnements naturels, en essayant de prévoir l’impact des actions anthropiques sur les biotopes et leurs l'évolutions au niveau global;
  • le développement de procédés conduisant à la réduction de l'impact des activités humaines sur les milieux naturels, dans une perspective de développement durable.

Optimisation et gestion des environnements urbains:

En 2050, la population devrait s'établir autour de 9 milliards et se concentré pour les deux tiers dans les villes. L'enjeu sera alors de permettre l'accès à l'énergie, à l'eau, à l'alimentation, à là santé, à l'information et à la formation. Dans cette perspective, l'environnement construit doit être repensé de manière à pouvoir répondre à ces attentes, dans un contexte de ressources naturelles limitées et avec la nécessité de maintenir la qualité de l'environnement naturel. Les services apportés aux citoyens des villes sont aujourd'hui de plus en plus sophistiqués et associés à un haut niveau d'exigence. L'un des meilleurs exemples est sans doute l'alimentation en eau potable dont la qualité ne peut souffrir le moindre défaut. La qualité de ses services s'appuie sur un nombre croissant de capteurs qui apportent aujourd'hui une connaissance détaillée des processus qui permet d'envisager le déploiement massif d'outils de simulations dans les unités de gestion industrielles et municipales. Les STIC peuvent massivement venir soutenir ce développement. Cependant, une grande partie des villes du monde ne connaît pas le niveau de service communément proposé dans les cités des pays développés. Les ressources tant naturelles que financières imposent de développer des modèles technologiques différents de ceux mis en œuvre jusqu'à présent. Dans ce contexte, le recours aux STIC dans toute les étapes de conception et de dimensionnement d'équipements, de gestion des ressources et d'information des usagers représente un facteur de progrès essentiel.

Monitoring des l'environnements naturels: 

La mesure de l'évolution de la biosphère a motivé le développement et le déploiement d'un grand nombre de nouveaux capteurs visant à mieux surveiller les écosystèmes. Ces réseaux de capteurs fournissent d’énormes quantités d'informations qui doivent être traitées et optimisées. En particulier, les images produites par les satellites sont de plus en plus exploitées afin de mieux évaluer, par exemple les modifications dans l'utilisation du sol et les écosystèmes, la diffusion d'un polluant dans un cours d'eau ou encore la densité et la nature du phytoplancton dans les océans. La multiplication des capteurs et des sources d'information nécessite de développer des outils d'analyse et de traitement des données et des images – validation, évaluation des erreurs, incertitude – de plus en plus efficaces et automatisés.

Par ailleurs, les dispositifs de surveillance doivent être associés à des systèmes capables de prédire et d'anticiper l'évolution future des différents environnements.  L'acquisition croissante de données et l'augmentation des capacités de calcul doit permettre le développement et l'utilisation de modèles déterministes. L'un des enjeux est celui de la compréhension et de la simulation de l'évolution climatique actuelle. Prévoir l'évolution des écosystèmes dynamiques complexes, distribués spatialement, sur la base de mesures fragmentaires disponibles, est l'une des principales questions sur lesquelles des recherches doivent se mobiliser. Une des difficultés de ces prévisions à l'échelle globale est d'estimer non seulement l’évolution des variables physiques liées aux environnements, mais aussi la façon dont les organismes biologiques peuvent réagir à ces changements ou encore comment les sociétés humaines doivent penser leur développement.

Maîtrise énergétique et développement durable:

De nombreuses recherches sont menées pour limiter l'impact des activités humaines et pour préserver les ressources naturelles: ressources en eau, gaz, pétrole, .... Ces démarches visent à réduire la consommation en énergie en optimisant son utilisation dans les processus. Parmi de très nombreux exemples qui se développent chaque jour, les procédés de traitement de la pollution utilisant des écosystèmes microbiens qui sont utilisé dans les stations d’épuration des eaux usées mais aussi dans les méthaniseurs traitant de rejets industriels, représentent sans doute l'un des premiers chantiers à mener à l'échelle mondiale pour une réduction de la consommation d'énergie. De même, les procédés à base de micro algues peuvent permettre de fixer une partie du CO2 émis par des sites industriels. D'autres procédés biotechnologiques dédiés à la production d'énergie, permettent à l’aide de bactéries ou de microalgues de produire du méthane, de l’hydrogène ou des lipides qui peuvent être ensuite utilisés comme biocarburants. Enfin, la lutte biologique permet de limiter l'usage des pesticides dans l’agriculture, en introduisant des prédateurs naturels ou des parasites des ravageurs. Tous ces procédés biotechnologiques complexes demandent le développement de technologies basées sur les STICS afin d’en améliorer la modélisation, la  surveillance, la régulation et l’optimisation. Le déploiement de technologies issues des STICS permettra à terme de garantir une plus grande fiabilité, et une meilleure efficacité.

Transfert

Les mécanismes de transfert se développent naturellement entre les différents acteurs impliqués dans ce thème. Les synergies existantes entre les différentes structures de recherches et les entreprises doivent être intensifiées pour investir le champ des technologies pour l'environnement. Les principaux acteurs et partenaires pour les actions de transferts sont :

  • Les équipes de recherche avec le transfert de connaissances entre chercheurs impliqués dans les développements méthodologiques et ceux investis dans des thématiques orientées spécifiquement vers l'environnement  naturel ou construit. Ces échanges incessants doivent permettre une fertilisation croisée et le développement d'approches innovantes. Les différentes structures présentent sur Sophia Antipolis et plus généralement sur la Côte d'Azur possèdent une taille significative qui peut rapidement s'affirmer et développer un très fort partenariat international à l'identique des autres thèmes de Sophi@Stic.
  • Les entreprises et industriels déjà impliqués dans le domaine de l'environnement tant au niveau de l'ingénierie - conception d'infrastructures, de bâtiments et équipements, développement de méthodologies pour la préservation des milieux naturels et des ressources, l'analyse et la prévention des risques dans les environnements naturels et construits - que dans le déploiement de services publics tels l'alimentation en eau, l'assainissement, le suivi de la qualité du milieu marin. Ces industriels sont aujourd'hui confrontés à des défis de gestion pour des systèmes de plus en plus complexes et pour lesquels le niveau de performance exigé est particulièrement élevé. Sur certains aspects, la démarche peut être liée aux travaux du thème consacré aux technologies pour la santé. Le partenariat avec le monde industriel, marque distinctive de Sophia Antipolis, doit être privilégié dans le développement de ce thème environnement.
  • Les collectivités territoriales et en particuliers celles de la Côte d'Azur. La technopole de Sophia Antipolis, comme souligné dans le cadre de la démarche Sophia Vision, souhaite devenir un site d'expérimentation en matière de gestion de l'environnement et d'éco-développement. Le savoir-faire établi dans le domaine industriel doit également s'affirmer dans le domaine de l'éco-développement. Une stratégie identique doit se développer dans le cadre de l'Opération d'Intérêt National de la vallée du Var afin de promouvoir un nouveau modèle en matière de développement économique. Les citoyens sont aujourd'hui demandeurs d'une information plus complète sur leur environnement et les technologies de la communication offrent aujourd'hui les moyens pour répondre à cette attente.

Enseignement

La dimension pluridisciplinaire de ce thème doit être intégrée dans la formation des ingénieurs et des doctorants de Sophi@Stic. Les formations doivent être organisées autour de multiples parcours permettant de combiner plusieurs disciplines telles informatique et hydrologie/hydraulique dans la nouvelle spécialité hydroinformatique et les masters EuroAquae /Hydroprotech de Polytech'Nice-Sophia pour répondre à la fois à la demande des entreprises et des collectivités et permettre la formation continue des professionnels du domaine qui doivent impérativement évoluer dans leur métier en raison de l'introduction des nouvelles technologies.

Animation

Les différentes équipes de recherche et leurs nombreuses relations avec des entités de recherche européennes et internationales (collaborations et réseaux déjà structurés dans le cadre de programmes européens et internationaux) ont vocation à promouvoir l’organisation de manifestations scientifiques et techniques : conférences, séminaires et workshops sont autant d’actions qui doivent naturellement se mettre en place sur le site de Sophia tout en développant un partenariat étroit avec les acteurs que sont les entreprises et les collectivités. L’objectif de cette collaboration est de renforcer la complémentarité entre les acteurs et d’obtenir des financements complémentaires sur des thématiques innovantes et susceptibles d’attirer les meilleurs doctorants internationaux. De nombreuses initiatives peuvent être proposées et développées dans le cadre d’associations internationales (AGU, EOGS, AIHS, AIRH, SHF, …) et en partenariat avec des manifestations existantes déjà implantées dans d’autres régions du monde et notamment en Asie.

Au niveau de la diffusion de la culture scientifique, le concept de développement durable et la gestion de d'environnement sont des thèmes prioritaires au niveau, par exemple, des rencontres et conférences réalisées de manières coordonnées vers le grand public par la Fondation Sophia-Antipolis, vers le public lycéen par le lycée Léonard de Vinci et les lycées de Valbonne, et pour les ingénieurs et chercheurs de Sophia au niveau du colloquium Jacques Morgenstern.

Animateur: Philippe Gourbesville (UNS/Polytech'Nice-Sophia)