Estimation de la production d’energie photovoltaîque par une agglomeration

Depuis quelques années les communes de plus de 50 000 habitants, contraintes par les objectifs du « 3 fois 20 » , entre autres, ont dû mettre en place des Plans Climats Energie Territoriaux. Dans ces plans se trouvent des objectifs visant à augmenter la part d’énergie renouvelable dans la consommation d’énergie finale. L’une des pistes qui vient le plus spontanément est l’utilisation du potentiel solaire, particulièrement aux endroits où il est le plus simple à exploiter : les toitures.

Ce rapport présentera une méthode de travail générale et son application à l’agglomération Tourangelle. D’ailleurs, cette dernière a rédigé un document 56 actions du plan climat dans lequel figure : « Tour(s)plus, avec l’ALE, soutient le développement de la production d’eau chaude avec le solaire thermique et organise le déploiement de l’électricité photovoltaïque en tenant compte des contraintes spécifiques ». Afin de réaliser l’étude du potentiel solaire de l’agglomération de Tours, j’ai passé en revue de nombreuses études sur le sujet. Sans aucune surprise, les pays européens du Sud (comme l’Espagne et l’Italie) mais aussi, de façon plus inattendue et détruisant les préjugés liés à la latitude, l’Allemagne (premier pays mondial en production d’électricité photovoltaïque) sont en avance par rapport à la France sur le sujet, l’installation systématique de panneaux solaires étant retranscrite dans leur code de l’urbanisme [1]. Enfin, il faut préciser qu’un programme appelé « POLIS » a pour but d’organiser des conférences et ateliers afin d’accroître les connaissances dans le domaine de cadastre solaire principalement. Ce dernier recense les pratiques actuelles en Europe et donne quelques éléments de méthodologie pour la création indépendante d’un cadastre solaire.

ETAT DE L’ART

Actuellement, il existe différents moyens d’estimer la production d’énergie photovoltaïque à l’échelle urbaine. Si la commune n’a pas les données géographiques suffisantes : il est possible de mettre en place une couverture photographique permettant de faire une restitution stéréoscopique afin d’acquérir les données géographiques d’une qualité suffisante acquise. Ensuite avec les données une modélisation et une simulation des bâtiments (principalement des toitures) est réalisée. Le projet avancé se fonde sur un certain nombre d’hypothèses assez fortes: tout en restant le plus proche possible de la réalité observée et en exposant ses limites, il présente un modèle simple mais pas simpliste, et efficace. L’étude systématique des façades n’a pas été prise en compte pour différents motifs : parfois en conflit avec les restrictions PLU, mais principalement comme le dit Xinyan Yang [2], les bâtiments portent des ombres les uns sur les et bien souvent les façades sont fortement impactées par ces ombrages. Par ailleurs, d’Elisabeth Gratia et André De Herde [3], soulignent que la surface vitrée des bâtiments, donc non-utilisable pour les panneaux, a largement variée au cours des années et donc est extrêmement difficile à quantifier. Pour finir, sur les façades – même orientées plein Sud – le rendement des panneaux solaires est réduit. Il faut appliquer un facteur de correction inférieur ou égal à 0.68 . Cette valeur implique une dégradation trop importante de la productivité du panneau. Au regard de ces différents éléments, uniquement à l’étude du potentiel des toitures sera effectué.

Par ailleurs, les travaux [4] d’enseignants chercheurs, comme Benoit Beckers professeur associé à l’UTC, portant sur le calcul de disque solaire considérant les données géométriques des bâtiments proches ont été étudiés. L’avantage de cette méthode est qu’elle est très précise, mais lourde en calculs et plus adaptée à l’étude d’un bâtiment ou d’un ensemble restreint de bâtiments. Néanmoins, cette méthode pourra être utilisée pour confirmer aposteriori les résultats, et affiner les études en vue d’une pose concrète de panneaux. Dans la littérature, les articles liés à la production d’énergie photovoltaïque sont, dans leur grande majorité, des études portant sur des champs de panneaux solaires. L’exploitation de l’énergie solaire n’en est plus à ses balbutiements, mais les calculs et opportunités méritent d’être encore largement approfondis. Concernant les calculs, les études susmentionnées ont été réalisées à l’aide de modèles « simples » où la production d’un seul panneau est multipliée par le nombre de panneaux (la surface totale); modèle « correct » car certaines variables à cette échelle deviennent des constantes, comme le masque solaire, généralement nul.

Concernant les opportunités, il faut réfléchir le plus largement possible et ne pas se bloquer là où les préjugés sont bien encrés (comme par exemple les préjugés sur l’inutilité d’implanter des panneaux solaires dans le Nord de la France). Toute dégradation de la surface disponible pour les panneaux solaires doit être justifiée.

OBJECTIF DE L’ÉTUDE 

Compte tenu de l’état de l’art présenté au paragraphe précédent, cette étude traitera principalement de l’installation de panneaux photovoltaïques sur les toitures déjà construites afin d’apporter une estimation de la production d’énergie photovoltaïque à l’échelle urbaine de façon plus précise qu’un calcul statistique (surface*ensoleillement) en modélisant de façon efficace.

Cet objectif se décompose en trois étapes :
-sélectionner les zones éligibles à l’implantation de panneaux solaires ;
-estimer le rayonnement solaire sur un bâtiment ;
-vérifier que la production d’énergie aide sensiblement dans les objectifs du PCET .

MÉTHODE

SÉLECTION DES BÂTIMENTS 

ZONE DE PROTECTION DU PATRIMOINE

En premier lieu, les zones dites « classées »ont été exclues. Elles correspondent à un cercle de rayon de 500m autour de tous les bâtiments catégorisés « classés » par l’architecte des bâtiments de France.

Remarque : d’autre bâtiments catégorisés « remarquable, très intéressant…. » ainsi que leurs environnements n’ont pas été pris en compte dans l’exclusion, car même si l’implantation est délicate voir difficile, elle n’y est pas impossible.

TYPOLOGIE DES TOITS DES BATIMENTS

Etant donné que dans la base de données certains immeubles sont agrégés entre eux, il est impossible de créer une typologie cohérente basée sur la surface des bâtiments. En effet, aucune corrélation n’a pu être faite entre la surface ou la hauteur de façon significative et utile.

Pour pallier à ce manque d’information, les zones du PLU ont été choisies pour déterminer la nature des toits selon l’hypothèse :
-Les formes des toitures (plates ou inclinées) sont corrélées avec la zone PLU dans laquelle elles se trouvent.

En effet, les zones PLU découpent en général le tissu urbain en quartiers globalement morphologiquement homogène. On y retrouve les quartiers industriels, les nouveaux quartiers présentant une « mixité fonctionnelle » (avec principalement des toitures plates), les anciens quartiers, les nouveaux quartiers d’habitat en périphérie de l’agglomération (maisons à toitures inclinées)…

ORIENTATION DES TOITS DES BATIMENTS

Il n’y a pas besoin de calculer l’orientation des bâtiments pour les toits plats étant donné que les panneaux y seront posés à plat à l’horizontal. Uniquement l’orientation des bâtiments à toits inclinés sera développée par la suite. Selon Cécile Duchêne, Sylvain Bard, Xavier Barillot, Anne Ruas, Jenny Trévisan et Florence Holzapfel [5] l’orientation d’un bâtiment est facilement calculée de la manière suivante :
-prendre le rectangle minimum englobant le bâtiment ;
-isoler la largeur (le plus petit côté) de chaque rectangle ;
-calculer l’azimut, perpendiculaire à la largeur.

Cette technique est remarquablement efficace pour les bâtiments rectangulaires. Cependant, encore une fois, l’agrégation des bâtiments entre eux oblige à utiliser une autre méthode en raison la base de données utilisée. La méthode mise en place est fondée sur des observations de terrain. L’hypothèse est la suivante : pour l’agglomération Tourangelle, les crêtes de toits sont parallèles à l’axe de la route la plus proche.

Table des matières

Définitions
I) Introduction
A) Cadre du projet
B) Etat de l’art
II) Objectif
III) Méthode
A) Sélection des bâtiments
a) Zone de protection du patrimoine
b) Typologie des toits des bâtiments
c) Orientation des toits des bâtiments
B) Estimer le rayonnement solaire sur un bâtiment
a) Rayonnement brut
b) Coefficient de constructibilité
C) Vérifier que la production d’énergie aide sensiblement dans les objectifs du PCET
IV) Résultats et interprétations
V) Conclusion 
VI) ANNEXE
A) Sélection des bâtiments
i) Création de la couche de base Bâti_agglo
ii) Création de la zone protégée
iii) Création de la typologie de bâtiments
iv) Corélation entre l’orientation des toitures et des routes
v) Sélection du Bâti bien orienté
B) Méthode de calcul du masque solaire et du coefficient de constructibilité
i) Calcul du masque solaire
ii) Calcul du coefficient de constructibilité

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