Beaucoup (trop) de façades photovoltaïques ?

Des scientifiques de l’université italienne de Gênes et de l’université française de Savoie Mont-Blanc ont mené une étude pour évaluer les performances des façades PV intégrées aux bâtiments (BIPV, building-integrated PV) en milieu urbain.

Les chercheurs tentent de comprendre comment la morphologie urbaine et les microclimats affectent les performances des façades solaires. Les scientifiques ont découvert que les performances pouvaient être gravement compromises par un effet « d’assombrissement » ainsi que par le phénomène d’îlot de chaleur urbain se traduisant par des températures plus élevées dans les villes que dans l’arrière-pays rural. Cela se produit lorsque plusieurs installations BIPV verticales sont situées dans la même zone en raison de politiques de construction à énergie zéro (NZEB).

L’effet d’assombrissement observé est créé par les façades BIPV, qui peuvent réduire le potentiel de réflexion de la lumière des surfaces des bâtiments, diminuant ainsi la quantité de lumière renvoyée sur les structures adjacentes. Le problème ne se posera que si de nombreux bâtiments ou tous les immeubles d’un quartier urbain sont couverts de façades solaires, avec des édifices à faible consommation faisant office de NZEB, ou des unités de production autonomes.

Impact sur l’environnement

La puissance de sortie du PV vertical dépend strictement des structures environnantes et du sol, en raison de la lumière qu’elles peuvent réfléchir. « Les façades sont extrêmement sensibles à la façon dont les matériaux urbains réagissent au rayonnement solaire », ont déclaré les universitaires, ajoutant qu’une étude précédente a montré que la peinture hautement réfléchissante sur les toits environnants contribuait à une augmentation de 48 % du rendement énergétique des surfaces photovoltaïques.

Bien que les façades ne soient pas les meilleures surfaces pour le déploiement du photovoltaïque (leur éclairement énergétique solaire annuel étant nettement inférieure à celle des panneaux de toiture placés horizontalement), les installations verticales sont une nécessité si l’on veut que les quartiers urbains atteignent les objectifs du NZEB, car les panneaux de toiture ne suffisent pas à eux seuls, a déclaré le groupe de recherche italo-français. Les systèmes photovoltaïques verticaux atteignent également un éclairement de pointe plus élevé de part et d’autre de la mi-journée que les installations horizontales, ce qui réduit le décalage entre la production et la demande d’énergie.

Outils d’analyse

Les scientifiques ont basé leur analyse sur la conversion d’un quartier urbain idéal de Rome, composé de 11 pâtés de maisons, en une banlieue autosuffisante sur le plan énergétique grâce à des solutions BIPV. L’analyse était basée sur le logiciel open-source EnergyPlus de simulation énergétique de l’ensemble du bâtiment, qui a été développé par le U.S. Department of Energy et l’application Urban Weather Generator, qui est utilisée pour modéliser l’effet d’îlot de chaleur urbain.

Deux scénarios de conception de quartier ont été envisagés. « Dans le premier cas, des objectifs minimaux d’efficacité énergétique sont envisagés, dans le second, une série de stratégies d’atténuation des îlots de chaleur urbains sont adoptées », ont déclaré les chercheurs.

Dans les deux scénarios, les éléments de construction tels que les murs, les toits et les fenêtres étaient conformes aux exigences minimales de transmittance prévues par les normes du bâtiment italiennes. Pour calculer le rendement énergétique des façades photovoltaïques, les chercheurs ont utilisé un logiciel développé par la société américaine « Sandia National Laboratories ».

« Le potentiel des façades des bâtiments de référence a été calculé avec la méthode Sandia, et en tenant compte du rayonnement solaire incident de surface et de la température des simulations EnergyPlus », ont déclaré les chercheurs.

Résultats finaux

La démonstration a montré que la production d’électricité des systèmes PV verticaux dans le quartier modélisé pouvait être réduite jusqu’à 11 % par unité de surface PV en raison de l’assombrissement induit par les panneaux des bâtiments environnants. L’effet d’îlot de chaleur urbain entraîne une réduction supplémentaire de la production de 0,3 %.

« En faisant varier la réflectivité des surfaces environnantes et du sol, la production d’énergie solaire par unité de façade PV (sur le bâtiment de référence) a été considérablement affectée », a déclaré le groupe. « L’ajout progressif de surfaces photovoltaïques sur le bâtiment de référence et les édifices adjacents réduit la capacité de conversion des panneaux solaires en raison de l’effet d’assombrissement associé à la faible réflectivité des modules pv, qui limite à son tour le rayonnement lumineux renvoyé disponible. »

En revanche, une augmentation de la couverture photovoltaïque pourrait accroître la production d’électricité solaire de 60 %, ont déclaré les chercheurs. « Les considérations ci-dessus suggèrent que la meilleure productivité des superficies PV verticales du bâtiment est liée à une couverture PV de façade pouvant atteindre 40 à 60 % de la surface totale disponible du quartier », ont-ils ajouté.

PV vertical

« Si les édifices possèdent plusieurs étages, et ne sont pas des maisons individuelles dispersées, les toits ne suffisent pas à assurer les besoins électriques des immeubles dans une perspective NZEB, même si le quartier est constitué de bâtiments à faible consommation », a déclaré le co-auteur de la recherche, Marco Fossa à pv magazine.

La nécessité de produire l’énergie des bâtiments sur place sans consommation de terrain rendra indispensable l’utilisation de façades BIPV, a déclaré M. Fossa. « Je pense que cela se produira au cours des dix prochaines années. »

Les chercheurs ont présenté leurs résultats dans l’étude « Best arrangement of BIPV surfaces for future NZEB districts while considering urban heat island effects and the reduction of reflected radiation from solar façades », récemment publiée dans Renewable Energy et sur le site web de ScienceDirect.

Traduit par Julien Rouwens