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"Smart and Sustainable City": professor Isam Shahrour Seminar at the American University of Science and Technology - Lebanon (AUST), August 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 and Sustainable City": professor Isam Shahrour Seminar at the American University of Science and Technology - Lebanon (AUST), August 2014

  1. 1. Smart  City:  Challenges  &   implementa3on     Professor  Isam  SHAHROUR     Université  Lille1,  France       AUST  Seminar  “Smart  City”,    Beirut,  August  13,  2014  
  2. 2. Smart  City  Interna3onal   overview  
  3. 3. SIEMENS  report,    2010   Analysis  of  the  the  strategy  of  15  ci3es  in  the  world    
  4. 4. 2014  
  5. 5. Analysis  of  468  Smart  City  project  
  6. 6. United  Kingdom  
  7. 7. Smart  City  market  by  2020  :  $408  billion   Goal  of  the  UK  10%  of  this  market   Smart  water  market  :  7.1  to  $12.5  billion  
  8. 8. Stockholm  Smart  City:  Traffic  Conges3on   (IBM)   City  traffic  decrease  by  18%   CO2  emission  decrease  14-­‐18  %  
  9. 9. Smart  City  in  United  States     Smart  Grid  –  NEMA  Report  (2011)     NEMA  :  AssociaLon  of  electrical  and  medical   imaging  equipment  manufacturers  (US)  
  10. 10. Smart  Grid  –  NEMA  Report  (2011)  
  11. 11. Novembre  2013  
  12. 12. Private  sector  :  $70  millions   Expected  ac3vity  for  the  city:  $3.8  billion    
  13. 13. China  :     $322  billion   August  13,  2014  :       200  Smart  City  projects  
  14. 14. July  18,  2014     •  100  Smart  City  projects   •  Government  investment  (2015):  $  1.2  billion   India  :    
  15. 15. Smart  City  JAPAN    
  16. 16. 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  
  17. 17. Smart  City  in  Africa   2014  
  18. 18. 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  
  19. 19. Why  the  smart  City  ?  
  20. 20. High  expansion  of  the  urban  popula3on  
  21. 21. 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  
  22. 22. 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  
  23. 23. Ci3es  with  more  than  1  millions  inhabitants   Concentration in large cities
  24. 24. 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    
  25. 25. 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  
  26. 26. The  City  :   •  70%  of  the  world  energy  consump3on   •  75%  of  the  electrical  consump3on   Energy    
  27. 27. 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  
  28. 28. Transport   Industry   Buildings   Tokyo   (2005)   Mexico   (2006)   London   (1999)   Shanghai   (2007)  
  29. 29. Urban  Transport   Time  lost    at  rush  hour   (minutes  /hour)  
  30. 30. Air  pollu3on   Impact  :   •  80  %  of  the  greenhouse  emission   •  Kills    2.1  millions  /  year   •  Economic  cost  in  Europe  (2009)  :    €  170   billion  
  31. 31. Source:  USGCRP  (2009)     Greenhouse  emission  
  32. 32. Impact  of  the  greenhouse  emission   Climate  change  and  global  hea3ng  
  33. 33. •  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  
  34. 34. Natural  disasters    and  City  resilience       700  millions  of  urban  inhabitants  are   subjected  to  natural  disaster  risk  
  35. 35. Flood  Risk  (380  millions  inhabitants)  
  36. 36. Major  natural  disasters  ris   Impact     (Na3onal   Scale)     Impact  (World    Scale)    
  37. 37. Popula3on  ageing     •  Re3rement  funding   •  Health  and  social  care   •  Customized  services  
  38. 38. 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    
  39. 39. 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    
  40. 40.   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    
  41. 41. Digital  Revolu3on   •  Social  network     •  Mobile   •  Internet  of  things  
  42. 42. Smart  Sensors  and  actuators  
  43. 43. Smart  Technology   Smart  governance   SMART  CITY    
  44. 44. Health,  Educa3on   Art,  Culture   More  data    
  45. 45. 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  
  46. 46. Smart  City  Implementa3on    
  47. 47. Different  scales  of  implementa3on   City     Campus  
  48. 48. 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  
  49. 49. 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  
  50. 50. 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  
  51. 51. 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  
  52. 52. Step  5  :  Protocols     Establish  protocols  for     •  Op3mal  management,     •  Crisis  management,     •  Implica3on  of  stakeholders     •  New  services  (business)   The  Smart  City  implementa3on  journey  
  53. 53. 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  
  54. 54. • Improvement   • Extension   • New  services   The  Smart  City  implementa3on  journey   Itera3ve  procedure:   Implementa3on   Tes3ng   Stakeholders  back-­‐field    and  demand   Usage    
  55. 55. Pilot  project  :     large  scale  experimenta3on  
  56. 56. Demonstrator   Large  scale    
  57. 57. SunRise  pilot  Project     Smart  Urban  Network  Demonstrator   for  Sustainable  city    
  58. 58. 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:  
  59. 59. Small  town:   •  110  Hectares   •  250  000  users   •  70  km  of  Urban   Network     •  140  Buildings          (320  000  m2  )     Scien3fic  Campus     (Lille1  University)    
  60. 60.   Living  and  social  ac3vity    
  61. 61. C1  :    Teaching    (1966)   Polytech’Lille  Teaching   and  research      (2000)  
  62. 62. Data  collec3on  :  GIS  Model    (network  and  buildings)   70  km  of  networks   •  Water   •  District  Hea3ng   •  Gas     •  Electrical  (  HV,  LV)   •  Public  light  
  63. 63. Global  approach   Coupling  primary  and  secondary  networks   Buidings  Urban  network  
  64. 64. 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    
  65. 65. 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)  
  66. 66. Project  Implementa3on       (Water  Example)   Smart  Water  Network  
  67. 67. I)  Leakage  :  smart  consump3on  meterin   !Cité!Scien*fique! (5)!!! 4!Cantons! ECL!! M5! Bachelard! •  Meshed  network     •  16  km   •  77  ARM   •  145  Buildings  
  68. 68. 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  
  69. 69. 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  
  70. 70. 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  
  71. 71.  Water  Consump3on  by  sector   !
  72. 72. !Cité!Scien*fique! (5)!!! 4!Cantons! ECL!! M5! Bachelard! Chemistry   Sector   Biology   Sector   Smart  metering  
  73. 73. EPANET  Numerical  Modeling  
  74. 74. Intellisonde  Optiqua EventLab:     Bio-­‐contamina3on  monitoring    Innova3ve  sensors    S::Scan  
  75. 75. 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    
  76. 76. Smart Grid – District heating (20 km)
  77. 77. District  Hea3ng  network    
  78. 78. Building  P1   Real  Time  monitoring  :    Energy  heat  consump3on  
  79. 79. 43  %   61  %   EUDIL  G   C1,  C3  ,C4   IUT   M1   SN1,2,3   P5   P1  +  cul   EUDIL   G   IUT   M1   P 1   P5   C 1   SN  
  80. 80. 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  
  81. 81. 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:  
  82. 82. SunRise    Community  :   •  Faculty  members   •  Technical  staff,     •  PhD  and  Master  degree  students  
  83. 83. Le  point  septembre  2013  
  84. 84. LA TRIBUNE VENDREDI 25 OCTOBRE 2013 TERRITOIRES / FRANCE16 GENEVIÈVE HERMANN, À LILLE L’ expérimentation en cours à la Cité scien- tifiquedeVilleneuve- d’Ascqconstituepour Bruno Nguyen, directeur des relations internatio- nalesetdelasûretéd’EaudeParis, « 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 concrètedudéploiementdel’Inter- net de l’énergie que recommande l’économiste américain Jeremy Rifkin, l’auteur de La Troisième Révolutionindustrielle(éd.Lesliens qui libèrent), dans sa feuille de route engageant le Nord-Pas-de- Calais vers une transition énergé- tiquefondéesurlesénergiesrenou- velables et la communication en réseaux dématérialisés. Avec ses 23 000  usagers, ses 140  bâtiments et ses 70 km de réseauxurbains,lecampusdel’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- tionsd’électricitéetàl’optimisation de la gestion des systèmes d’assai- nissement.«Nousavonségalement en perspective de travailler sur les transports et la mobilité », précise Isam Shahrour, directeur du labo- ratoireGénieCiviletgéo-environ- nement (LGCgE) de Lille 1, à l’ori- gine du projet Sunrise. ÉVALUER LA CONSOMMATION D’ÉNERGIE EN TEMPS RÉEL Surl’eau,Sunriseprofiteduparte- 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 MétropoleHabitat)travailleavecle LGCgE sur la conception d’un boî- tier«intelligent»capabled’analyser untasdemesurescommelatempé- rature ambiante, les consomma- tions énergétiques, le taux d’humi- ditéetletauxdepénétrationdel’air. Le fournisseur d’électricité renou- velablePlanetOuiestégalementde lapartie,ainsiqueleCentred’Inno- vation des Technologies sans Contact (CITC) – EuraRFID, par- tenairedelapremièreheureentant qu’expert des technologies sans- contactetdel’Internetdesobjets. Les premières expérimentations surleterrainontdémarrédeuxans 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 éviteainsileslourdeursadministra- tives»,préciseBrunoNguyen.D’ici à quelques mois, les 77 compteurs d’eauinstalléssurlecampusseront touséquipésd’unsystèmederelève à distance qui leur permettra de transmettre en temps réel les consommations à un système de gestioncentralisée.Cettetélérelève 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 demiseenœuvre.D’oùl’intérêtd’un tel projet », explique Jean-Marc Charlemagne,directeurdel’eauaux Eaux du Nord. Une dizaine de thésards et une quinzaine de chercheurs post- doctorantstravaillentdéjàsurcette 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 consommationsénergétiquesselon l’état de la météo, l’affluence des usagers et biens d’autres critères nonencoreidentifiés.Ilss’appuient pour démarrer sur l’historique des factures d’eau gérées par les ser- vices généraux de l’université. Sunriseestundesquatredémons- trateurs du projet européen (FP7) SmartWater4Europeetleseulfran- çais au côté de Vitens, le principal distributeurd’eaupotabledesPays- Bas, de l’espagnol Acciona et du britanniqueThamesWater.Ilbéné- 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 chaireindustrielleRéseauxurbains intelligents – Eau, financée par Lille 1, le CITC – EuraRFID et Eaux du Nord. Outre un surcroît de visibilité pour le projet Sunrise, cette chaire aégalementpermislacréationd’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 fairedeLilleunsitepiloteinterna- tional de ce que sera demain la «villeintelligente».Dequoifournir auxadeptesdesconceptsdeJeremy JeremyRifkin,lechantredela« troisièmerévolutionindustrielle »,rendvendredi25octobrelafeuillederoute commandéeparlarégionpourengagerleNord-Pas-de-Calaisverslatransitionénergétique.Leprojet, quiviseàtransformerlecampusuniversitairedeLilleenpetitevilleintelligente,pourraitfairefiguredecasd’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 2050 Si les préconisations dévoilées vendredi 25 octobre par Jeremy Rifkin en clôture de la 7e  éditionduWorldForumLillesontmisesen œuvre,leNord–Pas-de-Calaisauraréduit,en 2050, de 60% sa consommation énergétique etdiviséparquatresesémissionsdegazàeffet de serre. La région aura investi massivement dans les énergies renouvelables et lancé un programme de rénovation urbaine baptisé Zen-e-Ville.Ceterritoirecouvriraalors100% de ses besoins énergétiques. Leplandel’économisteaméricainreprendles 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 intelligentsetlestransportsnonpolluants.En se payant (350000 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  
  85. 85. ! Alliance  Janvier  2014  
  86. 86. Libéra3on  Mai  2013  
  87. 87. SunRise  Sur  BFM  Business  28  avril  2013  
  88. 88. TEDx  Lille  «  La  nouvelle  renaissance  »,  8  mars  2014      
  89. 89. World  Bank,  Washington    MEDEF  Interna3onal  delega3on  

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