Rayonnement solaire

Rayonnement solaire

Aspects théoriques

Rayonnement solaire

Le soleil émet en permanence un rayonnement extra-atmosphérique de 1’367 W/m2, correspondant à la constante solaire. Ce rayonnement n’arrive évidemment pas de manière uniforme à la surface de la Terre, et des corrections doivent être apportées pour estimer correctement le rayonnement global arrivant sur une surface au sol.
Le transfert du rayonnement solaire dépend (Guisan, 1988 et Ineichen, 2009) :
a) d’effets géométriques dû à :
• l’excentricité de la trajectoire terre autour du soleil ;
• l’inclinaison de l’axe de la terre par rapport au plan de la trajectoire autour du soleil ;
• la rotation de la terre sur son axe (dynamique journalière) ;
• le rayonnement incident sur un plan incliné ;
b) d’effet de l’atmosphère dû à :
• la transmission du rayonnement ;
• la diffusion du rayonnement ;
• l’absorption du rayonnement ;
• la réflexion du rayonnement ;
c) de variations interannuelles du rayonnement.
De manière schématique, les différents effets atmosphériques peuvent être représentés comme suit (voir Figure 1) :
Figure 1 : différents effets de l’atmosphère sur le rayonnement solaire arrivant sur terre (source : Ineichen, 2009)
Les effets dû à l’atmosphère sont très complexes mais il existe des modèles simplifiés permettant d’approximer assez bien le rayonnement arrivant sur la surface du sol. Le rayonnement global incident arrivant réellement sur terre est la somme des rayonnements direct et diffus (voir Figure 2) :
Figure 2 : transmission du rayonnement solaire à la terre (source : Ineichen, 2009)
A Genève, l’irradiance est mesurée par la station météo de la Jonction de l’Université de Genève depuis 1990 (voir sous http://www.unige.ch/energie/energieforel/activites/met.html, consulté le 8 février 2010) et peut être comparée à plusieurs autres mesures ou modèle (voir Figure 3 ci-dessous) :
Figure 3 : variations interannuelles du rayonnement global sur un plan horizontal à Genève en kWh/m2 (source : Ineichen, 2009)
La Figure 3 ci-dessus montre que le rayonnement moyen arrivant à Genève sur un plan global horizontal est d’environ 1’250 kWh/m2 (ligne rouge en pointillé), avec une variation interannuelle de plus ou moins 5% selon les années de mesures (barres violettes sur la droite du graphique).
Il est important de toujours être au clair sur le type de rayonnement global utilisé, car sur un plan incliné à 30° sud, la moyenne annuelle à Genève monte alors à 1’350 kWh/m2, soit 10% de plus que sur un plan horizontal. Cela pose un problème d’estimation de la mesure sur les toits, qui peuvent être plats ou inclinés. Nous verrons plus loin que l’outil solar radiation permet en partie de prendre en compte cette différence entre toits plats et inclinés.

Filières énergétiques du solaire

En parlant des ressources renouvelables, le soleil est souvent considéré comme gratuit et illimité mais nous pensons qu’il est plus intéressant de réfléchir en terme de filière énergétique, de la ressource à la prestation (voir Figure 4) :
Figure 4 : filière énergétique du solaire : de la ressource à la prestation

Ressource

Cette ressource solaire est dépendante de la surface de captage. A Genève, cette surface peut être utilisée pour l’une ou l’autre des deux grandes filières de transformation du soleil :
• solaire thermique (avec production d’eau chaude sanitaire et/ou de chauffage)
• effet photovoltaïque (avec production d’électricité)
On admet ici que dans le cadre d’une utilisation rationnelle des surfaces du canton de Genève, le potentiel de cette ressource est essentiellement limité par la surface de toits. La surface réellement disponible des toits dépend de l’orientation, de la pente, des ombrages d’autres bâtiments ou d’objets, des superstructures qui empêchent la pose de capteurs, etc…
Pour la suite, nous définissons ici quatre types de potentiel :
• Le potentiel brut, correspondant aux toits étudiés ;
• Le potentiel accessible, correspondant aux toits faiblement ou non ombragé ;
• Le potentiel mobilisable, correspondant aux toits faiblement ombragé moins les structures et objets l’encombrant ;
• Le potentiel réel, intégrant en plus une notion de qualité du toit (état et nature du toit).
L’énergie solaire est une énergie de flux non stockable avec une importante dynamique été-hiver de rapport 4 sur 1 (voir Figure 5 ci-dessous):
Figure 5 : ressource solaire mensuelle sur un plan horizontal (rouge) ou sur un plan incliné à 30° (vert) en kWh/m2/jour (source : Mermoud, 2009)

Transformations

Au niveau économique, le solaire thermique est une technologie mature et rentable si les capteurs sont bien dimensionnés.
Le solaire photovoltaïque (PV) peut être considéré comme mature mais non rentable à court terme : une politique volontariste avec subventionnement est encore nécessaire pour permettre de continuer à diminuer les coûts de cette technologie.
En général, s’il y a des besoins d’eau chaude sanitaire (ECS) toute l’année (typiquement des toitures d’immeubles locatifs), il faut plutôt privilégier le solaire thermique puis ajouter du PV si possible. Le PV doit être préféré sur les toitures scolaires, les bâtiments industriels ou les centres sportifs, car les besoins en ECS sont faibles en été, lorsque la ressource est la plus abondante.
Le chauffage via le solaire thermique est potentiellement intéressant s’il est couplé avec une pompe à chaleur ou un stockage saisonnier, mais ces systèmes ont encore besoin de retour d’expérience.
L’intégration de systèmes solaires lors de la conception ou de la rénovation des bâtiments est beaucoup plus efficiente techniquement et économiquement.

Valorisations

Selon le transformateur associé, on produira de la chaleur (capteur thermique) ou de l’électricité (panneaux PV). La chaleur ne peut être utilisée que localement et est donc liée spatialement aux utilisateurs. Il est donc important de bien connecter l’offre et la demande.
En revanche, la production d’électricité via les panneaux PV est injectée dans le réseau électrique qui est un réseau européen et n’est donc plus lié spatialement aux utilisateurs, même s’il peut être intéressant pour une commune ou une région de connaitre son taux de production d’électricité photovoltaïque par rapport à la consommation moyenne d’électricité par habitant.
Dans le cadre de ce travail, pour des raisons de temps et de simplicité, seul la valorisation électrique (PV) de la ressource a été prise en considération (voir chapitre 2.5.2).

Lien entre l’énergie solaire et les SIG

Dans un cadre urbain, la modélisation de l’irradiance pour chaque bâtiment est assez compliquée étant donné les nombreux ombrages des objets sur ou à côté du bâtiment. Des logiciels comme PVSyst (http://www.pvsyst.com, consulté le 8 février 2010) permettent de calculer l’irradiance pour un toit donné en rentrant les informations d’ombrage en 3D de manière manuelle. Cela convient très bien pour le dimensionnement précis d’une installation pour un toit bien précis. En revanche, lorsqu’il s’agit d’évaluer de manière plus globale un quartier ou une commune entière, il paraît indispensable de passer à un modèle semi-automatique. La spatialisation de l’information et l’utilisation d’outils SIG permettent de traiter un grand nombre d’information à la fois.
Un groupe de recherche avec lequel nous avons collaboré pour ce certificat, appelé ci-après Carneiro-Morello-Desthieux, travaille depuis quelques temps déjà sur l’utilisation d’un modèle urbain 3D issu des données LIDAR (Light Detection and Ranging, qui sont en réalité des données altimétriques mesurées par avion).
De manière très résumée, leur modélisation est basée sur 5 grandes étapes (voir Carneiro et al, 2009 et la Figure 6 ci-après) :
1) traitement d’image permettant de reconstruire un modèle de surface 2.5D ;
2) procédure de segmentation pour estimer les orientations et pentes des toits ;
3) analyse des surfaces de toits disponibles, selon la surface minimale requise (20 m2 pour le PV ; 4 m2 pour le thermique) ;
4) évaluation de l’irradiation solaire pour ces segments de toits ;
5) visualisation des résultats en 2D.

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Table des matières

1 Introduction
2 Aspects théoriques
2.1 Rayonnement solaire
2.2 Filières énergétiques du solaire
2.2.1 Ressource
2.2.2 Transformations
2.2.3 Valorisations
2.3 Lien entre l’énergie solaire et les SIG
2.4 Outil « solar radiation » d’ArcGIS
2.4.1 Détails de l’outil solar radiation
2.4.2 Limites de l’outil solar radiation
2.5 Approche géoréférée effectuée dans ce travail
2.5.1 Processus général pour la comparaison avec la méthode LIDAR
2.5.2 Processus détaillé de l’approche Faessler
2.5.3 Limites du modèle Faessler
3 Résultats des analyses
3.1 Zone Test Meyrin
3.1.1 Comparaison avec la méthode Radiance (LESO-EPFL)
3.1.2 Comparaison avec la méthode LIDAR (Carneiro-Morello-Desthieux)
3.2 Commune d’Onex
3.2.1 Comparaison avec la méthode Mermoud
3.3 Du potentiel mobilisable modélisé par SIG au potentiel réel
4 Conclusions et Perspectives
Bibliographie
Annexe 1 : outil Solar Radiation – aide ESRI